Investigation of Particles from Ammonia and Hydrogen Combustion from Engines

Abstract

El uso de amoniaco anhidro (NH3) como combustible para alimentar motores de combustión interna está ganando popularidad debido a que no se producen emisiones de dióxido de carbono cuando se quema. A diferencia de los combustibles fósiles tradicionales, el amoniaco se puede obtener a partir de fuentes de energía renovable. Normalmente se mezcla con una pequeña cantidad de hidrógeno, que tiene mejores características de combustión y permite que esta sea más estable. En investigaciones anteriores se ha estudiado el rendimiento y las emisiones de un motor de encendido por compresión asistido por chispa (SACI, por sus siglas en inglés). Este trabajo investiga la emisión de materia particulada de un motor de un solo cilindro que funciona con el mismo modo de combustión. Se probaron dos tipos de combustible que consistían en amoniaco puro y amoniaco mezclado con un 5% de hidrógeno. La relación de equivalencia se varió entre condiciones estequiométricas y ricas. Los resultados muestran que las emisiones de materia particulada dependen de la temperatura al comparar el arranque en frío y en caliente cuando no se le suministraba combustible al motor. Se detectaron menos partículas y partículas de menor tamaño en la condición de arranque en caliente. El número de partículas emitidas y el área superficial depositada en los pulmones humanos aumentaron en gran medida y de la misma forma cuando se agregó hidrógeno al combustible. Cuando se quemó amoniaco puro, aumentar la relación de equivalencia mostró un gran aumento en el número de partículas emitidas y un aumento menos significativo en el área superficial depositada en los pulmones de las partículas.

The use of anhydrous ammonia (NH3) as a fuel to power internal combustion engines is growing in popularity since no carbon emissions are present when this fuel is burned. Unlike traditional fossil fuels, ammonia can be obtained from renewable energy sources. It is normally blended with a small amount of hydrogen which has better combustion characteristics and allows for a more stable combustion. Engine performance and emissions from a Spark-Assisted Compression Ignition (SACI) engine have been studied in the past. This work investigates the particulate matter emitted from a single cylinder engine running with a SACI mode of combustion. Two fuel blends were tested which consisted of pure ammonia and ammonia blended with 5% hydrogen. The equivalence ratio was varied between stoichiometric and rich conditions. The results show that particulate matter emissions have a temperature dependence when comparing cold and hot motoring with only air flowing through the system. Fewer and smaller particles were detected in the hot motoring condition. The number of emitted particles and the surface area deposited in human lungs increased significantly and similarly when hydrogen was added to the fuel. When pure ammonia was burned, increasing the equivalence ratio showed a substantial increase in the number of emitted particles and a less pronounced increase in the surface area deposited in the lungs of the particles.