Untersuchung des Einflusses der Ansauglufttemperatur auf Co

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11649 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In jüngster Zeit hat Ammoniak (NH3), das eine höhere Energiedichte als Wasserstoff hat, im Hinblick auf CO2-freie Emissionsziele im Transportsektor an Aufmerksamkeit gewonnen. Allerdings wird der NH3-Verbrennungsmechanismus in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor (ICE) noch untersucht. Um das Wissen über den Einsatz von NH3 in Verbrennungsmotoren weiter zu erweitern, führten die Autoren in diesem Artikel Experimente zur gleichzeitigen Verbrennung von NH3 und Benzin in einem modifizierten, funkenunterstützten CI-Saugmotor mit Unterkammer und einem Verdichtungsverhältnis von 17,7:1 durch. Die Unterkammer wurde gewählt, um die Verbrennungsgeschwindigkeit von NH3 zu erhöhen. Darüber hinaus wurde die Unterkammer mit Glüh- und Zündkerzen ausgestattet, um die hohe Selbstentzündungstemperatur von NH3 zu überwinden. Motorleistung und NOX-Emissionen wurden bei drei verschiedenen Ansauglufttemperaturen untersucht. Während der Experimente wurde der NH3-Gehalt schrittweise erhöht, wenn der Motor unter mageren Bedingungen betrieben wurde. Obwohl im Vergleich zu unseren vorherigen Arbeiten ein höherer NH3-Gehalt erreicht wurde, führte eine Erhöhung der Ansauglufttemperatur zu einer verringerten Ladeeffizienz. Darüber hinaus wurde nach 120 Betriebsstunden Korrosion am Kolbenring festgestellt, die sich negativ auf die Motorleistung auswirkte. Darüber hinaus wurde die Dauer der NH3/Benzin-Koverbrennung durch den Einfluss der Unterkammer drastisch verkürzt, wo die längste Verbrennungsdauer unter den vorliegenden Bedingungen bei 17 °KW lag.

Im Hinblick auf die jüngsten Nachrichten über die Änderung ihres ursprünglichen Plans der Europäischen Union zum Ausstieg aus Verbrennungsmotoren (ICEs) sind unkonventionelle Kraftstoffe (wie Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2), synthetische Kraftstoffe (E-Kraftstoffe) usw.) betroffen zunehmender Beliebtheit in der ICE-Forschung. Es wird nun möglich sein, neue Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor in Europa mit CO2-neutralen Kraftstoffen zu verkaufen1. Von diesen ist NH3 ein starker Kandidat für eine weitere Ausweitung seiner Verwendung in verschiedenen Branchen. Aufgrund seines hohen Wasserstoffgehalts kann es zur Energiespeicherung und auch im Transportsektor als Kraftstoff zur Stromerzeugung eingesetzt werden2,3. Wie aus seiner Struktur hervorgeht, enthält NH3 keine Kohlenstoffatome, wodurch keine CO2-Emissionen entstehen und es daher als kohlenstofffreier Kraftstoff gilt. Einige wichtige Punkte, die angegangen werden müssen, sind die Toxizität und die NOX-Emissionen bei erhöhten Temperaturen aufgrund des verfügbaren Stickstoffatoms (N). Allerdings ist ein herkömmliches System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) in der Lage, die NOX-Emissionen erheblich zu senken, wenn die SCR-Einlasstemperatur bei 200 °C gehalten wird4.

Tabelle 1 zeigt ausgewählte verschiedene Eigenschaften von NH3 und ihren Vergleich zu Wasserstoff und Benzin. Im Vergleich zu Wasserstoff weist NH3 eine höhere volumetrische Energiedichte auf, im Vergleich zu Benzin ist die volumetrische Energiedichte jedoch immer noch um rund 30 % geringer. Darüber hinaus wurden zahlreiche Studien zur Nutzung von H2 und NH3 in ICEs durchgeführt. Kim et al. verwendete Direktinjektionsmethode von H2 mit verschiedenen Gemischbildungsmodi5. Da NH3 außerdem eine geringere Flammenausbreitungsgeschwindigkeit hat, bestand ein häufigerer Ansatz darin, es in Schiffsmotoren mit niedrigeren Motordrehzahlen zu verwenden6. Um NH3 in Personenkraftwagen einzusetzen, bei denen eine höhere Motordrehzahl erforderlich ist, müssen dessen Eigenschaften berücksichtigt werden. Wie in Tabelle 1 gezeigt, hat NH3 eine hohe Oktanzahl und eine hohe latente Verdampfungswärme, was seine Verwendung in einem Motor mit hohem Verdichtungsverhältnis (CR) ermöglicht. Im Einklang mit diesem Wissen haben Pochet et al. führten Ammoniak-Wasserstoff-Dual-Fuel-Verbrennungsstudien in einem Motor mit einem CR von 15:17, 16:18, 22:19 im Modus „Homogenous Charge Compression Ignition“ (HCCI) durch. Lhuillier et al. führten Experimente mit NH3- und Wasserstoffmischungen in einem Fremdzündungsmotor (SI-Motor) mit einem CR von 10,510 durch. Sie zeigten auch, dass die Phasenlage der Verbrennung mit der laminaren Verbrennungsgeschwindigkeit (LBV) des Gemisches unter SI-Zeitpunktbedingungen korreliert. In einer neueren Studie haben Mounaim-Rousselle et al. führten Experimente an einem Einzylinder-Verbrennungsmotor mit funkenunterstützter Kompressionszündung (CI) und einem CR zwischen 14 und 17 durch, der mit reinem NH311 betrieben wurde. Es gelang ihnen, eine stabile Verbrennung bei niedrigen Lasten und verschiedenen Motordrehzahlen zu erreichen, was bewies, dass die Methode mit hoher CR und Fremdzündung für NH3 als Kraftstoff gut funktioniert.

Im Einklang mit diesen früheren Studien waren die Autoren der Ansicht, dass ein neuartiges Motordesign erforderlich ist, um NH3 aufgrund seiner Nachteile als ICE-Kraftstoff einzusetzen. Es ist erwiesen, dass eine Unterkammer die Verbrennungsdauer in Ottomotoren verkürzen kann12. Daher wurde dem Versuchsmotor eine mit einer Zündkerze und einer Glühkerze ausgestattete Unterkammer hinzugefügt, während dem Ansaugsystem des Versuchsmotors auch ein Lufterhitzermechanismus hinzugefügt wurde. Durch die Erhöhung der Temperaturen im Motorzylinder sollte die Verbrennung von NH3 gefördert und dessen Anteil im Kraftstoffgemisch erhöht werden. Der Gesamtzweck dieser aufeinanderfolgenden Studien besteht darin, einen Verbrennungsmotor zu entwickeln, der mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden kann, um die Abhängigkeit von Benzin zu verringern und die CO2-Emissionen weiter zu senken. Die vorliegende Studie verwendete eine Kombination aus zwei Methoden im Einklang mit früheren Studien11,13, bei denen die Motorexperimente in einem funkenunterstützten HCCI-Motor mit hohem Verdichtungsverhältnis durchgeführt wurden. In unserer vorherigen Studie betrug der höchste erreichte NH3-Gehalt jedoch nur 33 %. Da der Kompressionszündungsprozess hohe Temperaturen im Zylinder erfordert, wird die vorliegende Studie bei höheren Ansauglufttemperaturen von bis zu 348 K durchgeführt. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der Ansaugtemperatur zu untersuchen und den NH3-Gehalt weiter zu erhöhen und gleichzeitig ein stabiles NH3 zu erreichen /Benzin-Mitverbrennung und schrittweise Verringerung des Benzinanteils im Kraftstoffgemisch. Es wurde über eine veränderte experimentelle Motorleistung sowie NOX-Emissionen berichtet.

In dieser Studie wurde ein wassergekühlter, horizontaler Viertakt-Einzylinder-Dieselmotor mit hohem Verdichtungsverhältnis (CR: 17,7) (YANMAR TF120V-E2) modifiziert, um Mitverbrennungsexperimente mit einem NH3/Benzin-Gemisch in einem funkenunterstützten Verfahren durchzuführen HCCI-Motor. Abbildung 1 zeigt die schematische Ansicht des Versuchsaufbaus. Die ursprüngliche Diesel-Einspritzdüse wurde entfernt und der Zylinderkopf wurde gezielt bearbeitet, um eine Unterkammer (23,5 × 10–6 m3) zu schaffen, die mit Zünd- und Glühkerzen (NGK-SRM) ausgestattet ist. Im Ansaugkanal wurden ein Benzininjektor (BOSCH INJ-035) und ein Ammoniakinjektor (Nikki O-RING-Typ) installiert. In der Hauptkammer mit einer Verdrängung von 638 × 10–6 m3 wurde ein Drucksensor installiert. Um das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen, wurde ein Flachkopfkolben mit einem Bohrungsdurchmesser und einem Hub von 92 mm bzw. 96 mm verwendet. Die Verbindung zwischen Haupt- und Nebenkammer erfolgte über eine Öffnung mit einer Querschnittsfläche von 52,6 mm2. Die Drosselklappe wurde von Hand gesteuert, um einen konstanten Ansaugdruck zu erhalten, der vom Ansaugkanal-Drucksensor gemessen wurde. Kraftstoffe (Benzin und NH3) wurden in den Ansaugkanal eingespritzt. Einspritzzeitpunkt und Kraftstoffmenge wurden von einem Allzweck-Motorsteuergerät (ECU) (INFINITY SERIES 7) gesteuert. Das Kraftstoffeinspritzsignal und das Funkenzündungssignal wurden gleichzeitig an den Datenlogger übertragen. Innerhalb der Unterkammer kam eine Funkenzündung zum Einsatz, wobei die Zündzeitpunkte von derselben ECU gesteuert und abhängig von den Kraftstoffgemischbedingungen zwischen 350 °KW und 370 °KW eingestellt wurden. Darüber hinaus wurde der Zeitpunkt des oberen Totpunkts (OT) des Kolbens mithilfe von Druckdaten im Zylinder bestimmt, was es den Autoren ermöglichte, die Echtzeitposition des Kolbens zu bestätigen. Es wurde für die Kraftstoffeinspritzung und den Zündzeitpunkt verwendet. Dies wurde erreicht, indem die Zylinderinnendruckdaten alle zwei Umdrehungen der Kurbelwelle mit dem Signal vom Drehgeber (E6B2-CWZ6C) abgeglichen wurden. Das Kühlmittelsystem des modifizierten Versuchsmotors bestand aus einer Kühlmittelheizung, einem Wärmetauscher und einer Pumpe zur Steuerung der Wassertemperatur in den Kühlkanälen des Motors. Tabelle 2 zeigt die allgemeinen Motorspezifikationen.

Schematische Darstellung des Versuchsmotors und des Datenerfassungssystems.

Tabelle 3 zeigt die in dieser Studie verwendeten Versuchsbedingungen. Der modifizierte Versuchsmotor war über eine elektromagnetische Kupplung mit einem Wirbelstromprüfstand verbunden, um die Motordrehzahl zu steuern und auf 1.000 U/min einzustellen. Daten zur Kühlwassertemperatur wurden an das Steuergerät gesendet und ein PID-Regler stabilisierte die Kühlmitteltemperatur bei 343 K. Der modifizierte Versuchsmotor war ursprünglich ein Saugmotor, bei dem der Ansaugdruck 99 kPa betrug. Die Spannung der Glühkerze wurde auf 10 V eingestellt. Am Abgasstrang des modifizierten Versuchsmotors wurde ein Katalysator zur Abgasnachbehandlung installiert und mit Katalysatorheizungen auf 573 K erhitzt, um einen optimalen Wirkungsgrad für die Abgasbehandlung zu ermöglichen. Wie in Tabelle 3 dargestellt, wurden Motorexperimente durchgeführt, indem die Ansauglufttemperatur zwischen 298 K und 348 K und der NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch verändert wurden. Der Kraftstoffverbrauch wurde anhand der Durchflussmesser der Benzin- und NH3-Einspritzdüsen berechnet, wobei der gesamte Heizwert des Kraftstoffs entsprechend berechnet wurde. Das Einspritzverhältnis wurde je nach Anteil des Heizwerts von NH3 am Gesamtheizwert geändert. Die Luftüberschussverhältnisse wurden je nach NH3-Gehalt zwischen 1,17 und 1,22 verändert. Dies lag daran, dass die Gesamtheizwerte unterschiedlicher Verhältnisse von NH3/Benzin-Mischungen gleich eingestellt waren. Unter diesen Bedingungen wurden für den modifizierten Versuchsmotor die höchsten angegebenen thermischen Wirkungsgrade und der niedrigste Variationskoeffizient des angezeigten mittleren Motordrucks (COVIMEP) erreicht. Zur Bestimmung des NH3-Gehalts wird der niedrige Heizwert herangezogen. Beispielsweise bedeutet NH3 33 %, dass die restlichen 67 % Benzinkraftstoff sind, der für die Experimente verwendet wurde. In diesem Versuchsaufbau und unter diesen Bedingungen wurde eine stabile NH3/Benzin-Mitverbrennung bis zu 66 % NH3 und 34 % Benzin als eingespritztes Kraftstoffverhältnis erreicht. Oberhalb dieser Grenze des NH3-Gehalts lagen die COVIMEP-Werte über 5 % und wurden daher weggelassen. In dieser Studie wurden nur gemittelte Werte über 100 Zyklen dargestellt, wobei die untersuchten Betriebsbedingungen in Tabelle 3 zusammengefasst wurden.

Wie im Einleitungsabschnitt erwähnt, wurde diese Studie an einem Motor mit hohem CR-Wert durchgeführt, der für die gemeinsame Verbrennung von NH3 und Benzin modifiziert wurde. Der Verbrennungsmechanismus war wie folgt: Während des Ansaugtakts des Motors wurden Kraftstoffe in die Einlassöffnung eingespritzt (Benzin bei -30 °KW und Ammoniak bei 10 °KW, wie in Tabelle 3 angegeben). Diese Kraftstoffe wurden während der Ansaug- und Verdichtungstakte gemischt. Während des Kompressionshubs wurde ein Teil des Luft-NH3/Benzin-Kraftstoffgemisches in die Unterkammer geleitet, wo die Glühkerze zum Erhitzen des Luft-Kraftstoff-Gemisches verwendet wurde, das hauptsächlich zur Förderung der Verbrennung und Erhöhung der Umgebungstemperatur verwendet wurde. Das Phänomen wurde in unserer vorherigen Studie16 experimentell nachgewiesen. Die Zündkerze wurde zu unterschiedlichen CA-Zeitpunkten gezündet, abhängig vom NH3-Gehalt im Inneren, um die Mindestzündzeit für das beste Drehmoment (MBT) zu erreichen. Die Ergebnisse werden im nächsten Abschnitt besprochen. Als der Arbeitstakt begann (nach 360° KW für diese Studie), strömte das funkengezündete Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Nebenkammer von der Öffnung in die Hauptkammer, wo sich zu diesem Zeitpunkt das verbleibende Luft-Kraftstoff-Gemisch befand Der Inhalt der Hauptkammer galt als gut durchmischt. Dieses Phänomen löste den HCCI-Modus aus, da verbranntes Gas mit hoher Temperatur von der Unterkammer in die Hauptkammer strömte.

Die Zylinderinnendruckdaten wurden zur Berechnung des angezeigten mittleren effektiven Drucks (IMEP) Pmi [MPa] verwendet, der zur Charakterisierung der Motorleistung Pi [kW] verwendet wurde. Gleichung (1) wurde zur Berechnung des IMEP verwendet, der in eine diskretisierte Form geändert wurde, um in den Datenanalysen verwendet zu werden, wie Gl. (2).

Dabei ist Vs das Hubvolumen [m3], P der Zylinderinnendruck [MPa] und V das Volumen der Haupt- und Nebenkammer [m3]. Pj ist der Zylinderinnendruck [MPa] und Vj ist das Volumen pro CA, a ist die Gesamtzahl der Daten in einem Zyklus [–].

Gleichung (3) wurde zur Berechnung des COVIMEP verwendet, um die Verbrennungsstabilität zu bestätigen. Die Verbrennung gilt als stabil, wenn der COVIMEP weniger als 10 %11 beträgt.

wobei σPmi die Standardabweichung von IMEP [MPa] und \(\overline{{P }_{mi}}\) der durchschnittliche IMEP [MPa] ist.

Im Allgemeinen wird während der Verbrennungsperiode Wärme sowohl durch Konvektion als auch durch Strahlung zwischen dem Verbrennungsgas im Zylinder und den Zylinderwänden übertragen. Allerdings macht die Strahlungswärmeübertragung in einem Ottomotor nur 3–4 % der gesamten Wärmeübertragung aus21 und wird daher in dieser Studie weggelassen. Der Wärmeübergang zwischen Verbrennungsgas und Zylinderwand nach Gl. (4), das auf dem Newtonschen Abkühlungsgesetz basiert.

Dabei stellt Qht die Wärmeübertragung vom Verbrennungsgas auf die Zylinderwand pro Kurbelwinkel dar [kW/°KW], Ac stellt die Brennkammerfläche [m2] dar, Tw ist die mittlere Temperatur der Zylinderwand, die als 450 K22 verwendet wurde. hc ist der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient von Gas [kW/m2∙K], der in Gleichung ausgedrückt wird. (5) basierend auf der Hohenberg-Korrelation23.

wobei c der Kalibrierungsfaktor ist, der 1,4 beträgt, wie von Hohenberg23 vorgeschlagen; \(\overline{{S }_{p}}\) stellt die mittlere Kolbengeschwindigkeit [m/s] dar und wird in Gleichung ausgedrückt. (6).

Der Kühlverlust, Lc [%], wurde mit der Gleichung berechnet. (7).

wobei die untere und obere Grenze des Integrals θIVC, θEVO der Kurbelwinkel des Einlassventil-Geschlossen-Zeitpunkts (IVC) bzw. des Auslassventil-Öffnungszeitpunkts (EVO) [˚CA] sind. Die Zeitangaben sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Gleichung (8) wurde zur Berechnung der Wärmefreisetzungsrate (HRR) verwendet, um die Wärmefreisetzung pro Kurbelwinkel anzuzeigen.

Dabei ist QHRR die Wärmeenergie [J/°CA], Index (i) wurde für verschiedene Ansauglufttemperaturfälle verwendet, P ist der Zylinderinnendruck [MPa], V ist das Volumen sowohl der Haupt- als auch der Nebenkammer [m3 ], κ ist das spezifische Wärmeverhältnis, θ ist der Kurbelwinkel in Grad [°KW]. Der Verbrennungswirkungsgrad [%], ηc, wurde zur Bestimmung des verbrannten Kraftstoffverhältnisses verwendet, das anhand der folgenden Gleichung berechnet wurde:

Dabei ist θ1 der Kurbelwinkel, wenn die chemische Energie des Kraftstoffs freigesetzt wird [˚CA] und θ2 der Kurbelwinkel, wenn die chemische Energie des Kraftstoffs vollständig freigesetzt wird [°CA]. ma und mg sind die Masse des eingespritzten NH3 bzw. Benzins [kg]. Hua und Hug sind die unteren Heizwerte für NH3 bzw. Benzin [kJ/kg]. Die unteren Heizwerte für NH3 und Benzin betragen 18.600 kJ/kg bzw. 42.280 kJ/kg. Der normalisierte verbrannte Massenanteil (NMFB) wurde aus Gl. (10) durch Aufteilung der momentanen Wärmefreisetzungsenergien zwischen IVC- und EVO-Zeitpunkten von drei verschiedenen Ansauglufttemperaturen auf die Wärmefreisetzungsenergie, die aus dem 298-K-Fall erhalten wird.

wobei das Integral von QHRR(i) in Bezug auf den Kurbelwinkel die momentane Wärmefreisetzungsenergie [J] für jeden Ansauglufttemperaturfall bei einem NH3-Gehalt von 59 % ist. Das Integral von QHRR(298 K)(θ) in Bezug auf den Kurbelwinkel ist die Wärmefreisetzungsenergie [J] bei einer Ansauglufttemperatur von 298 K. Der NH3-Gehalt von 59 % war der höchste Fall für alle Ansauglufttemperaturen, bei denen eine stabile Verbrennung auftrat erreicht und somit zum Vergleich herangezogen.

Die angezeigte Leistung Pi [kW] des modifizierten Motors wurde mit Gl. berechnet. (11), wobei diese Werte zur Berechnung des indizierten thermischen Wirkungsgrads ηi verwendet wurden, wie in Gleichung gezeigt. (12).

Dabei ist A die Zylinderquerschnittsfläche [m2], S der Kolbenhub [m], n die Motordrehzahl [U/min], Z die Anzahl der Zylinder, die für diese Studie 1 war, da der Versuchsmotor ein war Einzylindertyp, und i ist eine konstante Zahl, die als 0,5 verwendet wurde, da der Versuchsmotor ein Viertaktmotor war.

Dabei sind Fa und Fg die Kraftstoffverbrauchsraten für NH3 bzw. Benzin [kg/s].

Die Gastemperatur im Zylinder [K] wurde mit der Gleichung berechnet. (13), das aus dem idealen Gasgesetz abgeleitet wurde.

wobei P(θ), V(θ) und T(θ) den Druck [MPa], das Volumen [m3] und die Temperatur [K] pro Kurbelwinkel des Zylindergases vom IVC zum EVO bezeichnen. Pin, Vin und Tin sind Druck, Volumen und Temperatur bei IVC; Daher ist Tin gleich der Ansauglufttemperatur.

Während der Motorexperimente wurden Zylinderinnendruckdaten gemessen, wobei der Fall einer Ansauglufttemperatur von 348 K bei unterschiedlichem NH3-Gehalt in Abb. 2 dargestellt ist. Aufgrund der Anwesenheit einer Unterkammer ergab das Zylinderinnendruckdiagramm zwei Spitzenwerte Punkte (Camelback-Abbildung), einer von etwa 360° CA am oberen Totpunkt aufgrund der Kompression des Kolbens, während der zweite aufgrund der Verbrennung innerhalb der Hauptkammer während des Expansionshubs (Krafthubs) auftrat. Als der NH3-Gehalt von 31 auf 66 % anstieg, stieg der Druck im Zylinder zunächst auf bis zu 52 % und nahm dann mit steigendem NH3-Gehalt allmählich ab. Der Spitzendruck im Zylinder trat jedoch aufgrund der unterschiedlichen MBT-Zeitpunkte um denselben CA mit unterschiedlichem NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch auf. Die erhaltenen Zylinderinnendruckdaten für verschiedene NH3-Gehalte wurden zur Berechnung von IMEP und COVIMEP unter jeder Ansauglufttemperaturbedingung verwendet. Zur Berechnung des MBT wurden die höchsten erreichten IMEP-Werte herangezogen, die in den folgenden Abbildungen in Klammern neben dem NH3-Gehalt angegeben sind. Beispielsweise wurde im Fall eines NH3-Gehalts von 31 % bei einer Ansauglufttemperatur von 348 K festgestellt, dass der MBT bei – 6 Grad BTDC (vor dem oberen Totpunkt) lag, was bedeutet, dass der MBT bei 6 °CA erreicht wurde, nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hatte , was dem Beginn des Krafthubs entspricht. Daher geschrieben als 31(-6). Es ist zu beachten, dass bei gleichem NH3-Gehalt und unterschiedlichen Ansauglufttemperaturen unterschiedliche MBT-Werte festgestellt wurden.

Zylinderinnendruck bei jedem MBT mit unterschiedlichem NH3-Gehalt bei einer Ansaugtemperatur von 348 K (die Zahl in Klammern gibt den MBT bei jeder Bedingung an).

Abbildung 3 zeigt den IMEP bei einer Ansauglufttemperatur von 348 K und unterschiedlichem NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch. Die IMEP-Werte wurden aus Gleichung berechnet. (2). Wie aus dieser Abbildung ersichtlich ist, verlief die Verbrennung bei einem NH3-Gehalt von 31 % aufgrund des hohen Benzingehalts im Kraftstoffgemisch über einen langen Zeitraum stabil. Der höchste IMEP (MBT) lag bei – 6 Grad BTDC für 31 % NH3 bei einer Ansauglufttemperatur von 348 K. Mit zunehmendem NH3-Gehalt wurde jedoch der Bereich stabiler Verbrennung enger. Dieses Phänomen hing mit der langsamen laminaren Brenngeschwindigkeit von NH316,17 zusammen. Es ist eine bekannte Tatsache, dass die laminare Verbrennungsgeschwindigkeit eines Kraftstoffs sowohl die Frühgrenze als auch die Spätgrenze des Verbrennungsprozesses beeinflusst. Wie aus Abb. 3 ersichtlich ist, waren die IMEP-Werte für den Fall eines NH3-Gehalts von 31 % über einen größeren Bereich stabil. Mit zunehmendem NH3-Gehalt wurden jedoch sowohl die MBT-Zeiten als auch die stabilen IMEP-Ergebnisse enger. Bei hohem NH3-Gehalt wurden der Zylinderinnendruck (aufgrund der Kolbenposition) und die Gastemperatur im Zylinder gesenkt, wenn die Zündzeit zu weit vorverlegt wurde. Es ist jedoch auch bekannt, dass NH3 zur Zündung eine hohe Gastemperatur im Zylinder benötigt. Dadurch konnte sich der Flammenkern des Brennstoffgemisches nicht richtig ausdehnen. Im Gegensatz dazu begann sich der Kolben bei hohem NH3-Gehalt erneut nach unten zu bewegen, als die Verzögerungsgrenze verlängert wurde, wodurch sowohl der Druck als auch die Temperatur im Zylinder sanken. Zu diesen Zeitpunkten kam es zu einer teilweisen Verbrennung des Kraftstoffgemisches, was zu verringerten IMEP-Werten führte. In Abb. 3 wurden drei Trendlinien für NH3-Gehalte von 59 %, 63 % und 66 % hinzugefügt. Umgekehrte parabolische Kurven zeigen die Auswirkung von Vor- und Spätgrenzen, die durch einen engeren stabilen Verbrennungsbereich für Fälle mit hohem NH3-Gehalt verursacht werden. Bei 348 K betrug der höchste erreichte NH3-Gehalt 66 %, wobei die Verbrennung bei Zündzeitpunkten später als – 1 Grad vor OT instabil wurde. Es ist zu beachten, dass, obwohl der gleiche modifizierte Versuchsmotor aus unserer vorherigen Studie14 verwendet wurde, die Kühlmitteltemperatur im Vergleich zu unserer vorherigen Arbeit von 318 auf 343 K erhöht wurde. Darüber hinaus begannen die Motorversuche mit Benzinkraftstoff im mageren Zustand (Überschuss). Luftbedingungen), und dann wurde NH3 nach und nach dem Kraftstoffgemisch zugesetzt. Mit dieser Methode konnte das Klopfphänomen überwunden und der NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch weiter erhöht werden. Es wurde angenommen, dass diese Modifikationen der Grund dafür waren, dass in allen Fällen ein höherer NH3-Gehalt erfolgreich verbrannt werden konnte und gleichzeitig COVIMEP-Werte unter 5 % erreicht wurden.

IMEP unter der Bedingung jedes NH3-Gehalts mit Zündzeitpunkten von 4 bis − 6 vor OT (λ = 1,17⁓1,22, Glühkerzenspannung: 10 V, Ansaugtemperatur: 348 K).

Abbildung 4 zeigt die Änderung der Wärmefreisetzungsrate (HRR) nach der Zündung bei jedem MBT für die Einlasstemperatur von 348 K, berechnet aus Gl. (8). Der Zündzeitpunkt wurde auf 0°KW normalisiert, da er aufgrund des unterschiedlichen NH3-Gehalts im Kraftstoffgemisch bei jeder Bedingung unterschiedlich war. Es sollte auch beachtet werden, dass sich die HRR nach dem Spitzenwert asymptotisch Null nähert, was auf eine genaue Kompensation des Kühlverlusts (berechnet aus Gleichung (4)) aus der Brennkammer hinweist. Aus dieser Zahl ging hervor, dass mit zunehmendem NH3-Gehalt die HRR abnahm. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich ist, wurde außerdem die Breite jeder Kurve mit zunehmendem NH3-Gehalt breiter. Für einen NH3-Gehalt von 31 % wurde festgestellt, dass der Anfangs- und Endpunkt des HRR bei 17 °KW liegt, während für einen NH3-Gehalt von 66 % die Breite auf 30 °KW erhöht wurde. Es wurde angenommen, dass dieses Ergebnis mit der langsamen chemischen Kinetik von NH3 zusammenhängt, wodurch die Ausbreitung der verbrannten Flamme und die Freisetzung ihrer Energie länger dauert. Die Spitzenpunkte der Kurven waren aufgrund des langsameren LBV von NH3 ebenfalls verzögert. Darüber hinaus wurde erwartet, dass die HCCI-Verbrennung in der Hauptkammer stattfand, da festgestellt wurde, dass die HRR-Kurve der vorherigen Studie von Pochet et al.7 ähnelt.

HRR für unterschiedliche NH3-Gehalte bei einer Einlasstemperatur von 348 K.

Abbildung 5 zeigt die NOX-Emissionen an jedem MBT für verschiedene NH3-Gehalte bei der Ansaugtemperatur von 348 K. Von NH3-Gehalten von 31 % bis 52 % zeigten die NOX-Emissionen einen steigenden Trend. Mit der weiteren Erhöhung des NH3-Gehalts sanken die NOX-Emissionen. Dies hing mit der verringerten Verbrennungseffizienz aufgrund der Verzögerung beim Erreichen hoher Zündtemperaturen bei Fällen mit höherem NH3-Gehalt zusammen. Weitere Einzelheiten zu diesem Phänomen sind in Abb. 9 dargestellt. Mit der Zunahme von NH3 im Kraftstoffgemisch aufgrund des niedrigeren stöchiometrischen Wertes von NH3 verbleibt im Benzin eine Fülle an freien Sauerstoffmolekülen. Dies führte zu einer magereren Umgebung und erschwerte die Verbrennung von Benzin, sodass NH3 hohe Zündtemperaturen erreichen konnte. Dadurch wurde die Gastemperatur im Zylinder gesenkt, was zu geringeren NOX-Emissionen führte. Im Vergleich zu früheren Studien7,8,9, in denen NH3 als Hilfs- oder Hauptkraftstoff in Motorexperimenten verwendet wurde, stimmten die aktuellen NOX-Emissionswerte jedoch mit diesen Ergebnissen überein.

NOX-Emissionen an jedem MBT für verschiedene NH3-Gehalte unter der Ansaugtemperatur von 348 K.

Abbildung 6 zeigt den Einfluss des NH3-Gehalts auf das MBT-Fortschritt bei unterschiedlichen Ansauglufttemperaturen. Da NH3 im Vergleich zu Benzin einen langsameren LBV aufweist (siehe Tabelle 1), wurde bei gleicher Ansauglufttemperatur die MBT vorverlegt (Werte von -6 auf 3 Grad v. OT), da der NH3-Gehalt von 31 auf 66 % erhöht wurde. Darüber hinaus stieg der höchste verbrannte NH3-Gehalt mit steigenden Ansauglufttemperaturen von 323 auf 348 K. Als Grund für dieses Ergebnis wurde angenommen, dass die Erhöhung der Anfangstemperatur des Luft-Kraftstoff-Gemisches die Oxidationsreaktion bei niedriger Temperatur förderte ermöglicht die Zündung von NH3- und Benzinkraftstoffen. Dadurch wurde der Bereich der NH3/Benzin-Mitverbrennung erweitert.

MBT jedes NH3-Gehalts bei Eintrittstemperaturen von 298 K, 323 K und 348 K.

Abbildung 7 zeigt die maximale Änderung der Gastemperatur, wenn der NH3-Gehalt bei unterschiedlichen Ansauglufttemperaturen erhöht wurde, wobei die Lufttemperaturen nach Gl. berechnet wurden. (13). Wie erwartet führten höhere Ansauglufttemperaturen zu höheren Spitzengastemperaturen nach Abschluss der Verbrennung. Obwohl die COVIMEP-Werte jedoch immer noch unter 5 % lagen, sank die Spitzengastemperatur mit zunehmendem NH3-Gehalt bei höheren Ansauglufttemperaturen schneller. Mit zunehmender Ansauglufttemperatur wurde eine Oxidationsreaktion bei niedriger Temperatur gefördert, die auch die Verbrennungsgastemperatur erhöhte. Als jedoch der NH3-Gehalt weiter erhöht wurde, sank die Verbrennungsgastemperatur sowohl aufgrund der Verzögerung des HRR-Höchstwerts als auch der Verzögerung am Ende der Verbrennung. Dies ist auf den langsamen Verbrennungseffekt zurückzuführen, der durch die mageren Bedingungen mit steigendem NH3-Gehalt verursacht wird.

Spitzengastemperatur jeder MBA-Bedingung bei unterschiedlichem NH3-Gehalt bei den Einlasstemperaturen von 298 K, 323 K und 348 K.

Die Verbrennungsdauer ist definiert als der Kurbelwinkel, bei dem 10 % (CA10) bis 90 % (CA90) der gesamten Wärmefreisetzungsenergie im modifizierten Motor erreicht werden. Die Verbrennungsdauer jedes MBT bei unterschiedlichen Ansauglufttemperaturen ist in Abb. 8 dargestellt. Bei niedrigem NH3-Gehalt und höheren Ansaugtemperaturen war die Verbrennungsdauer kürzer, etwa 9 °KW. Als jedoch der NH3-Gehalt weiter zunahm, begann die Verbrennungsdauer zuzunehmen und folgte einem quadratischen Polynompfad. Dies hing mit der langsamen Kinetik von NH3 und einer magereren Umgebung zusammen, die zu einer geringeren Verbrennungseffizienz von Benzin bei höherem NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch führte. Es ist jedoch zu beachten, dass mit steigenden Ansauglufttemperaturen der NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch auf 66 % anstieg, wobei die längste Verbrennungsdauer bei etwa 17 °KW lag. Bei der Durchsicht der Literatur wurde festgestellt, dass die Verbrennungsdauer für einen typischen Benzinmotor mit Ottokraftstoff auf etwa 26° KW24 geschätzt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Hinzufügung einer Unterkammer, die mit Zünd- und Glühkerzen ausgestattet war, den Verbrennungsmechanismus selbst bei NH3/Benzin-Kraftstoffmischungen förderte.

Verbrennungsdauer jedes MBT-Zustands bei unterschiedlichem NH3-Gehalt bei den Ansaugtemperaturen 298 K, 323 K und 348 K.

Abbildung 9 zeigt den Verbrennungswirkungsgrad, der nach Gl. berechnet wurde. (9) bei unterschiedlichen Ansauglufttemperaturen, wobei der NH3-Gehalt von 31 auf 66 % ansteigt. Anfänglich zeigten bei einem NH3-Gehalt von 31 % alle Ansauglufttemperaturbedingungen ähnliche Verbrennungseffizienzwerte. Mit zunehmendem NH3-Gehalt verringerte sich jedoch die Verbrennungseffizienz, insbesondere bei höheren Ansauglufttemperaturen. Es wurde angenommen, dass dies mit der Tatsache zusammenhängt, dass NH3 eine hohe Zündtemperatur aufweist, die durch verringerte Ladewirkungsgrade bei höheren Ansaugtemperaturen beeinträchtigt wird. Es ist zu beachten, dass sich das Luftüberschussverhältnis je nach NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch zwischen 1,17 und 1,22 veränderte. Es wurde berichtet, dass mit Sauerstoff angereicherte Bedingungen besser für die NH3-Verbrennung geeignet seien, da der LBV erhöht sei16. Dieser Zustand war jedoch für eine vollständige Benzinverbrennung nicht geeignet. Unter diesen Bedingungen wurde das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei gleicher Ansauglufttemperatur mit steigendem NH3-Gehalt magerer für den Benzinkraftstoff. Dies hing mit der geringeren Masse des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zusammen, die für die NH3-Verbrennung erforderlich ist. Durch den erhöhten NH3-Anteil im Kraftstoffgemisch verbleibt im Benzin reichlich Sauerstoff, was zu einer magereren Umgebung führt. Diese überschüssige Luftumgebung führte zu einer geringeren Verbrennungseffizienz bei Benzin im Vergleich zum Standard-Ottomotor mit Ottomotor25. Aufgrund dieses Phänomens konnte NH3 ohne vollständige Benzinverbrennung nicht schnell genug hohe Zündtemperaturen erreichen. Dadurch sinkt die Gesamteffizienz der Verbrennung bei höherem NH3-Gehalt weiter. Darüber hinaus wurde bei der Inspektion des Versuchsmotors nach den Experimenten festgestellt, dass der Kolbenring offensichtliche Korrosion auf seiner Oberfläche aufwies. Zum Zeitpunkt der Inspektion zeigte der Motortimer 120 Stunden an. Es wird angenommen, dass diese Korrosion und die Rußbildung durch Benzin dazu führten, dass der Kolbenring feststeckte und der Anteil der Blow-by-Gase während des Motorbetriebs zunahm. Mit zunehmenden Blow-by-Gasen aufgrund von Korrosion entwich ein Teil des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit hoher Temperatur in das Kurbelgehäuse, was die Gesamtverbrennungseffizienz bei allen Ansauglufttemperaturen verringerte.

Verbrennungseffizienz jedes MBT bei unterschiedlichem NH3-Gehalt bei den Einlasstemperaturen 298 K, 323 K und 348 K.

Abbildung 10 zeigt den Vergleich des Einflusses der Ansauglufttemperatur auf die Ergebnisse der normalisierten verbrannten Massenfraktion unter 59 % NH3, die nach Gl. berechnet wurden. (10). 59 % war der höchste NH3-Gehalt, bei dem bei allen Ansauglufttemperaturen eine stabile Verbrennung erreicht wurde. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, wurde die Verbrennungsdauer kürzer, wenn die Ansauglufttemperatur erhöht wurde, was ein Hinweis darauf ist, dass die Umgebung mit hohen Temperaturen die Verbrennungsgeschwindigkeit des NH3 fördert. Mit steigender Ansauglufttemperatur sank jedoch der verbrannte Massenanteil. Es wurde angenommen, dass dies eine offensichtliche Folge einer geringeren Ladeeffizienz ist, die bei höheren Ansauglufttemperaturen zu einer unvollständigen Verbrennung führt.

Einfluss der Ansauglufttemperatur auf den verbrannten Massenanteil und die Verbrennungsdauer bei einem NH3-Gehalt von 59 %.

Abbildung 11 zeigt den angegebenen thermischen Wirkungsgrad, berechnet nach Gl. (12), Ergebnisse bei unterschiedlichen Ansauglufttemperaturen bei steigendem NH3-Gehalt. Wie in Tabelle 1 gezeigt und im Einklang mit früheren Studien7,8,9,11 muss der Verbrennungsmotor zur Förderung der NH3-Verbrennung ein hohes Verdichtungsverhältnis mit höherer Umgebungstemperatur in der Hauptkammer für eine stabile und effizientere Verbrennung aufweisen . Allerdings führten erhöhte Ansauglufttemperaturen zu einem Verlust der Ladeeffizienz. Es zeigte sich also, dass mit zunehmender Ansauglufttemperatur die thermische Effizienz bei höheren NH3-Gehalten schneller abnahm. Darüber hinaus führten höhere Ansauglufttemperaturen, ähnlich wie bei den Verbrennungseffizienzergebnissen, bei gleichem NH3-Gehalt zu einer verringerten Ladeeffizienz, was zu noch niedrigeren angezeigten thermischen Effizienzergebnissen führte.

Angezeigter thermischer Wirkungsgrad jedes MBT bei unterschiedlichem NH3-Gehalt und den Einlasstemperaturen 298 K, 323 K und 348 K.

In dieser Studie wurde ein modifizierter 17,7:1 CR-Zündmotor mit Funkenunterstützung und einer mit Glüh- und Zündkerzen ausgestatteten Unterkammer bei verschiedenen NH3/Benzin-Mischverhältnissen betrieben. In der Unterkammer wurden Glühkerzen und Zündkerzen verwendet, um die Umgebungstemperatur des Kraftstoffgemisches zu erhöhen und so die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu erhöhen. Unter Verwendung eines Saugsystems mit Ansauglufterhitzer und einer Kühlmitteltemperatur von 343 K konnte der modifizierte Versuchsmotor mit einem NH3-Gehalt von 66 % bei 1000 U/min betrieben werden. In allen Fällen lagen die COVIMEP-Werte unter 5 %, was darauf hindeutet, dass im modifizierten Versuchsmotor ein stabiler Verbrennungsprozess stattfand. Zusätzlich zur Motorleistung wurde Korrosion am Kolbenring festgestellt. Einige wichtige Ergebnisse dieser Studie sind wie folgt aufgeführt:

Es wurde bestätigt, dass die Verwendung von Zündkerze und Glühkerze in der Unterkammer des modifizierten Motors eine kürzere Verbrennungsdauer ermöglichte. Es wurde angenommen, dass dies auf die Verwendung eines Ansauglufterhitzers zurückzuführen ist, der höhere Gastemperaturen in der Brennkammer erzeugt und die Verbrennung fördert. Es wurde festgestellt, dass die längste Verbrennungsdauer bei etwa 17° KW liegt, was eine drastische Verbesserung für NH3 mit langsamer Kinetik darstellt.

Mit zunehmender Ansauglufttemperatur stieg der NH3-Gehalt im Kraftstoffgemisch auf bis zu 66 %. Mit zunehmendem NH3-Gehalt wurde beobachtet, dass die MBT voranschritt.

Motorexperimente begannen mit Benzinkraftstoff im mageren Zustand (Luftüberschuss) und dann wurde dem Kraftstoffgemisch nach und nach NH3 zugesetzt. Als Beschleuniger wurde Benzin verwendet, um NH3 dabei zu helfen, eine hohe Zündtemperatur zu erreichen. Mit der weiteren Erhöhung des NH3-Gehalts stand jedoch mehr Sauerstoff für Benzin zur Verfügung, was aufgrund des niedrigeren stöchiometrischen A/F-Massenverhältnisses von NH3 zu einer magereren Umgebung führte. Dies führte zu einer Verschlechterung der Effizienz der Benzinverbrennung, was zu einer Verzögerung beim Erreichen hoher Zündtemperaturen für die Entzündung von NH3 führte. Somit wurde bei höherem NH3-Gehalt ein weiterer Rückgang der Verbrennungseffizienz beobachtet.

Es zeigte sich, dass bei gleichem NH3-Gehalt mit zunehmender Ansauglufttemperatur die Ladeeffizienz abnahm. Dies führte zu niedrigeren Temperaturen im Zylinder, was zu einer langsameren Flammenausbreitung und damit zu einer Verringerung der Verbrennung führte und auf thermische Effizienz hindeutete.

Bei der Inspektion des Versuchsmotors nach 120 h Betrieb wurden Korrosion und Rußbildung am Kolbenring festgestellt. Dies führte dazu, dass der Kolbenring feststeckte und die Blow-by-Gase verstärkt wurden. Der Anstieg der Blow-by-Gase führte zu geringeren Verbrennungs- und Wärmewirkungsgraden als beim normalen Betrieb des Motors.

Schließlich glauben wir, dass die experimentellen Ergebnisse dieser Studie die Notwendigkeit eines erhöhten Ladedrucks im Ansaugsystem deutlich gemacht haben, um die Ladeeffizienz bei höheren Ansauglufttemperaturen zu verbessern und so die Leistung und Effizienz des modifizierten Versuchsmotors weiter zu verbessern. Darüber hinaus wurde deutlich, dass das Korrosionsphänomen bei langen Betriebsstunden des Versuchsmotors beachtet werden muss. Basierend auf diesen Ergebnissen werden wir auch den Zusammenhang zwischen Korrosion im Brennraum und ihren Auswirkungen auf die Verbrennungseigenschaften untersuchen, was das Hauptthema unserer kommenden Studien sein wird.

Die Autoren erklären, dass alle experimentellen Daten, die diese Studie unterstützen, auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich sind.

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Die vorliegende Arbeit wurde von der Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research (Nr. 19K04244) und dem Sophia University Special Grant for Academic Research, Research in Priority Areas unterstützt.

Diese Arbeit wird von der Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research (Nr. 19K04244) und der Sophia University, Tokio, JAPAN, unterstützt.

Fakultät für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften, Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie, Sophia University, Tokio, 102-8554, Japan

Emir Yilmaz, Mitsuhisa Ichiyanagi und Takashi Suzuki

Graduate School of Science and Technology, Sophia University, Tokio, 102-8554, Japan

Qinyue Zheng, Bin Guo, Narumi Aratake, Masashi Kodaka, Hikaru Shiraishi und Takanobu Okada

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EY analysierte experimentelle Daten, verfasste den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen vor. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und Tabellen 1, 2, 3. MI-Experimentaldatenanalysen, Überprüfung und Bearbeitung des Manuskripts, Betreuung. QZ, BG und NA führten die Experimente durch. MK, HS und TO führten Experimente durch und beteiligten sich an Diskussionen. TS experimentelle Datenanalysen, Überprüfung und Bearbeitung von Manuskripten, Betreuung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Takashi Suzuki.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yilmaz, E., Ichiyanagi, M., Zheng, Q. et al. Untersuchung des Einflusses der Ansauglufttemperatur auf die Mitverbrennungseigenschaften von NH3/Benzin in einem Saugmotor mit hohem Verdichtungsverhältnis und Unterkammer. Sci Rep 13, 11649 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38883-3

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Eingegangen: 09. Mai 2023

Angenommen: 17. Juli 2023

Veröffentlicht: 19. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38883-3

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