Modeling the working process of a gas-diesel engine running on ammonia with the addition of hydrogen

封面

如何引用文章

全文:

详细

BACKGROUND: Ammonia, as a carbon-free fuel, has attracted much attention from researchers in many countries and is considered as one of the promising alternative fuels that ensures reduction of greenhouse gas emissions. Despite the fact that the properties of ammonia have been widely studied, the practical application of this type of fuel remains difficult. Additional research is needed to overcome problems, including low combustion rate, high emissions of nitrogen oxides and unburned ammonia. To stimulate the combustion process in the cylinder, it is possible to use hydrogen additive as a combustion activator of the ammonia-air mixture. This paper is aimed at a computational study of the effect of replacing diesel fuel with ammonia on the characteristics and harmful emissions of an in-ternal combustion engine.

OBJECTIVE: Computational study of the working process and harmful emissions from exhaust gases of an automotive and tractor gas-diesel engine when operating on ammonia with the addition of hydrogen.

METHODS: The object of the study was the modern YaMZ-53415 automotive and tractor diesel engine. The calculations were carried out for the nominal operating mode of the engine. For three-dimensional modeling of the working process of a gas-diesel engine running on ammonia with the addition of hydrogen, the Ansys Forte software package was used, which was developed based on modern theoretical concepts of the physics of three-dimensional gas and liquid flows, fuel spray dynamics and combustion processes.

RESULTS: Calculation of the working process of a gas-diesel engine running on ammonia with various ignition doses of diesel fuel showed that when the dose of diesel fuel is reduced from 100% to 5%, the engine power and efficiency are maintained, the maximum pressure in the cylinder is reduced by 26%, nitrogen oxide emissions and the amount of unburned ammonia increase. Calculation of the working process of a gas-diesel engine running on ammonia with hydrogen additive helped to determine the minimum hydrogen additive that ensures complete combustion of ammonia.

CONCLUSIONS: Running a gas-diesel engine on ammonia results in a significant reduction in carbon dioxide emissions, more than an order of magnitude, i.e. ammonia can become an alternative to hydrocarbon fuel to achieve carbon neutrality.

The use of a small hydrogen additive — 0.4% helps to significantly increase the combustion rate of the ammonia-air mixture and ensures almost complete combustion of ammonia.

Nitrogen oxide emissions when replacing diesel fuel with ammonia increase more than twice. To reduce them, it is necessary to use known methods — exhaust gas recirculation, a SCR-neutralizer.

作者简介

Yuriy Galyshev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

编辑信件的主要联系方式.
Email: galyshev57@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7915-0623
SPIN 代码: 8258-1827

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Higher School of Power Engineering, Institute of Energy

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Luo Xinyao

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: losinyao181031@gmail.com
ORCID iD: 0009-0005-2815-7231

Postgraduate of the Higher School of Power Engineering, Institute of Energy

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Oleg Abyzov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: oleg.abyzov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9898-4279
SPIN 代码: 3068-4970

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Higher School of Power Engineering, Institute of Energy

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Alexey Zaitsev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: abzaytsev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7443-1909
SPIN 代码: 8443-3030

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Higher School of Power Engineering, Institute of Energy

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

参考

  1. Fadhil Y Al-Aboosi, Mahmoud M El-Halwagi, Margaux Moore, et al. Renewable ammonia as an alternative fuel for the shipping industry. Current Opinion in Chemical Engineering. 2021;31. doi: 10.1016/j.coche.2021.100670
  2. Nadimi E, Przybyła G, Lewandowski M T, et al. Effects of ammonia on combustion, emissions, and performance of the ammonia/diesel dual-fuel compression ignition engine. Journal of the Energy Institute. 2023;107. doi: 10.1016/j.joei.2022.101158
  3. Abyzov OV, Galyshev YV, Metelev AA, et al. Computational Study of Combustion and Emissions Characteristics in Ammonia-Powered Gas-Diesel Engine. In: Radionov AA, Gasiyarov VR. (eds) Proceedings of the 9th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2023. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer; 2023. doi: 10.1007/978-3-031-38126-3_34
  4. Abyzov OV, Galyshev YuV, Ivanov AK, et al. Modeling of the Indicator Process of the Automobile Gas Engine during its Operation with Ammonia. Engines Construction. 2023;1(291):64–69. (In Russ.) doi: 10.18698/jec.20231.64-69
  5. Abyzov OV, Galyshev YuV, Metelev AA. Study of the working process of a gas-diesel engine using ammonia as a main fuel. Turbines and Diesels. 2023;4(109):58–64. (In Russ.)
  6. Kuleshov AS, Kuleshov AA, Markov VA, et al. Computational Studies of Parameters of Working Process of Diesel Engine with Ammonia Additives in the Intake System. Engines Construction. 2023;3(293):71–93. (In Russ.) doi: 10.18698/jec.2023.3.71-93
  7. Sa Bowen, Liu Ying, Markov VA, et al. Combustion Process Characteristics and Ecological Indicators of the Two-Fuel Diesel Engine Running on Ammonia. Engines Construction. 2023;4(294):73–87. (In Russ.) doi: 10.18698/jec.2023.4.73-87
  8. Solutions MAN Energy. MAN B&W two-stroke engine operating on ammonia. 2021. Accessed: 17.08.2024. Available from: www.man-es.com.
  9. Reiter AJ, Kong SC. Combustion and emissions characteristics of compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel. Fuel. 2011;90(1):87–97. doi: 10.1016/j.fuel.2010.07.055
  10. Li J, Lai S, Chen D, et al. A review on combustion characteristics of ammonia as a carbon-free fuel. Frontiers in Energy Research. 2021;9. doi: 10.3389/fenrg.2021.760356
  11. Karagöz Y, Sandalcı T, Yüksek L, et al. Effect of hydrogen–diesel dual-fuel usage on performance, emissions and diesel combustion in diesel engines. Advances in Mechanical Engineering. 2016;8(8). doi: 10.1177/1687814016664458
  12. Nag S, Dhar A, Gupta A. Hydrogen-diesel co-combustion characteristics, vibro-acoustics and unregulated emissions in EGR assisted dual fuel engine. Fuel. 2022;307. doi: 10.1016/j.fuel.2021.121925
  13. Verhelst S, Wallner T. Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in energy and combustion science. 2009;35(6):490–527. doi: 10.1016/j.pecs.2009.08.001
  14. Castro N, Toledo M, Amador G. An experimental investigation of the performance and emissions of a hydrogen-diesel dual fuel compression ignition internal combustion engine. Applied Thermal Engineering. 2019;156(6):660–667. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.04.078
  15. Dimitriou P, Kumar M, Tsujimura T, et al. Combustion and emission characteristics of a hydrogen-diesel dual-fuel engine. International journal of hydrogen energy. 2018;43(29):13605–13617. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.05.062.
  16. Szwaja S, Grab-Rogalinski K. Hydrogen combustion in a compression ignition diesel engine. International journal of hydrogen energy. 2009;34(10):4413–4421. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.03.020
  17. Wang B, Yang C, Wang H, et al. Effect of Diesel-Ignited Ammonia/Hydrogen mixture fuel combustion on engine combustion and emission performance. Fuel. 2023;331. doi: 10.2139/ssrn.4179242
  18. Leilei X, Chang Y, Treacy M, et al. A Skeletal Chemical Kinetic Mechanism for Ammonia/N-Heptane Combustion. Fuel. 2022;331(4). doi: 10.1016/j.fuel.2022.125830

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. Fig 1. The calculation area meshing.

下载 (364KB)
3. Fig 2. Dependence of pressure and heat release rate in the cylinder of the YaMZ-53415 gas-diesel engine running on ammonia, at different ignition doses of diesel fuel:

下载 (427KB)
4. Fig 3. Dependence of NOx and CO2 content in the exhaust gases of a YaMZ-53415 gas-diesel engine running on ammonia on the ignition dose of diesel fuel.

下载 (154KB)
5. Fig. 4. Dependence of the indicated power and indicated efficiency of the YaMZ-53415 gas diesel engine running on ammonia on the ignition dose of diesel fuel.

下载 (139KB)
6. Fig. 5. Dependence of the mass fraction of residual ammonia in the cylinder of the YaMZ-53415 gas diesel engine during combustion on the ignition dose of diesel fuel:

下载 (274KB)
7. Fig. 6. Dependence of pressure and rate of heat release rate in the cylinder of the YaMZ-53415 gas diesel running on ammonia with an ignition dose of diesel fuel and various hydrogen additives.

下载 (216KB)
8. Fig. 7. Temperature distribution in the cylinder of the YaMZ-53415 gas diesel engine running on ammonia with an ignition dose of diesel fuel 10% and various hydrogen additives:

下载 (194KB)
9. Fig. 8. Dependence of the indicator efficiency (a) and the NOx and NH3 content (b) in the exhaust gases of the YaMZ-53415 gas-diesel engine running on ammonia with a pilot dose of diesel fuel of 10%, on the addition of hydrogen.

下载 (266KB)
10. Fig. 9. Dependence of the mass fraction of residual ammonia in the cylinder of the YaMZ-53415 gas diesel engine, running on ammonia with a 10% diesel fuel ignition dose, on the addition of hydrogen:

下载 (143KB)

版权所有 © Eco-Vector, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».