Investigación del efecto de la temperatura del aire de admisión sobre el co

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11649 (2023) Citar este artículo

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Recientemente, el amoníaco (NH3), que tiene una mayor densidad energética que el hidrógeno, ha llamado la atención por los objetivos de cero emisiones de carbono en el sector del transporte. Sin embargo, en un motor de combustión interna (ICE) convencional, el mecanismo de combustión del NH3 aún está bajo investigación. En este artículo, para ampliar aún más el conocimiento sobre la adopción de NH3 en los ICE, los autores llevaron a cabo experimentos de co-combustión de NH3/gasolina en un motor de CI modificado, con relación de compresión de 17,7:1, aspiración natural, asistido por chispa y con subcámara. La subcámara se eligió para mejorar la velocidad de combustión del NH3. Además, la subcámara estaba equipada con bujías incandescentes y bujías para superar la alta temperatura de autoignición del NH3. Se estudiaron el rendimiento del motor y las emisiones de NOX bajo tres temperaturas diferentes del aire de admisión. Durante los experimentos, el contenido de NH3 aumentó gradualmente cuando el motor funcionó en condiciones pobres. Aunque se logró un mayor contenido de NH3 en comparación con nuestro trabajo anterior, el aumento de la temperatura del aire de admisión resultó en una menor eficiencia de carga. Además, se encontró corrosión en el anillo del pistón después de 120 h de operación, afectando negativamente el rendimiento del motor. Además, la duración de la co-combustión de NH3/gasolina se acortó drásticamente con la influencia de la subcámara, donde se encontró que la duración de combustión más larga en las condiciones actuales era de 17°CA.

En relación con las recientes noticias sobre el cambio de la Unión Europea en su plan original de eliminar gradualmente los motores de combustión interna (ICE), los combustibles no convencionales (como el amoníaco (NH3), el hidrógeno (H2), los combustibles sintéticos (E-combustibles), etc.) ganando popularidad en la investigación de ICE. Ahora será posible vender vehículos ICE nuevos en Europa utilizando combustibles neutros en carbono1. De estos, el NH3 es un fuerte candidato para ampliar aún más su uso en diversas industrias. Puede utilizarse en el almacenamiento de energía por su alto contenido en hidrógeno, y también en el sector del transporte como combustible para la generación de energía2,3. Como se puede ver en su estructura, el NH3 no contiene átomos de carbono, por lo que no se producen emisiones de CO2, por lo que se considera un combustible libre de carbono. Algunos puntos importantes que deben abordarse son la toxicidad y las emisiones de NOX a temperaturas elevadas debido al átomo de nitrógeno (N) disponible. Sin embargo, el sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) convencional es capaz de reducir sustancialmente las emisiones de NOX si la temperatura de entrada del SCR se mantiene a 200°C4.

La Tabla 1 muestra varias propiedades seleccionadas del NH3 y su comparación con el hidrógeno y la gasolina. En comparación con el hidrógeno, el NH3 tiene una mayor densidad de energía volumétrica; sin embargo, en comparación con la gasolina, todavía tiene alrededor de un 30% menos de densidad de energía volumétrica. Además, se han realizado numerosos estudios sobre la utilización de H2 y NH3 en los ICE. Kim y cols. utilizó el método de inyección directa de H2 con diferentes modos de formación de mezcla5. Además, dado que el NH3 tiene una velocidad de propagación de llama más baja, un enfoque más común era utilizarlo en motores marinos con velocidades más bajas6. Para utilizar NH3 en vehículos de pasajeros, donde se necesita una mayor velocidad del motor, es necesario considerar sus propiedades. Como se muestra en la Tabla 1, el NH3 tiene un alto índice de octanaje y un alto calor latente de vaporización, lo que permite su uso en un motor con una alta relación de compresión (CR). En línea con este conocimiento, Pochet et al. realizaron estudios de combustión de combustible dual de amoníaco-hidrógeno en un motor con CR de 15:17, 16:18, 22:19 en modo de encendido por compresión de carga homogénea (HCCI). Lhuillier et al. realizaron experimentos utilizando mezclas de NH3 e hidrógeno en un motor de encendido por chispa (SI) con CR de 10.510. También demostraron que las fases de la combustión están correlacionadas con la velocidad de combustión laminar (LBV) de la mezcla en condiciones de temporización SI. En un estudio más reciente, Mounaim-Rousselle et al. realizó experimentos en un ICE monocilíndrico de encendido por compresión (CI) asistido por chispa con CR entre 14 y 17, funcionando con NH311 puro. Lograron obtener una combustión estable con cargas bajas y varias velocidades del motor, lo que demuestra que el alto CR y el método de encendido por chispa funcionan bien para el NH3 como combustible.

En línea con estos estudios previos, los autores creían que es necesario un nuevo diseño de motor para adoptar el NH3 como combustible ICE debido a sus desventajas. Se ha demostrado que una subcámara puede acortar la duración de la combustión en los motores SI12. Así, al motor experimental se le añadió una subcámara equipada con una bujía y una bujía incandescente, y también se añadió un mecanismo de calentador de aire al sistema de admisión del motor experimental. Al aumentar la temperatura en el interior de los cilindros del motor, el objetivo era favorecer la combustión del NH3 y aumentar su contenido en la mezcla de combustible. El objetivo general de estos estudios consecutivos es desarrollar un ICE, que pueda funcionar con combustibles alternativos para reducir la dependencia de la gasolina y disminuir aún más las emisiones de CO2. El presente estudio utilizó una combinación de dos métodos en línea con estudios anteriores11,13, donde los experimentos del motor se realizaron en un motor HCCI asistido por chispa de alta relación de compresión. Sin embargo, en nuestro estudio anterior el contenido más alto de NH3 alcanzado fue sólo del 33%. Como el proceso de encendido por compresión necesita altas temperaturas dentro del cilindro, el presente estudio se lleva a cabo bajo temperaturas más altas del aire de admisión, hasta 348 K. El objetivo de este estudio fue investigar el efecto de la temperatura de admisión y aumentar aún más el contenido de NH3 mientras se logra un NH3 estable. /co-combustión de gasolina y disminuir gradualmente el contenido de gasolina en la mezcla de combustible. Se informó sobre el rendimiento experimental modificado del motor junto con las emisiones de NOX.

En este estudio, se modificó un motor diésel monocilíndrico horizontal de cuatro tiempos, refrigerado por agua y con alta relación de compresión (CR:17,7) (YANMAR TF120V-E2) para realizar experimentos de co-combustión utilizando una mezcla de NH3/gasolina en un motor asistido por chispa. Motor HCCI. La Figura 1 ilustra la vista esquemática de la configuración experimental. Se retiró el inyector de combustible diésel original y la culata se mecanizó expresamente para crear una subcámara (23,5 × 10–6 m3) equipada con bujías incandescentes (NGK-SRM). En el puerto de admisión se instalaron un inyector de gasolina (BOSCH INJ-035) y un inyector de amoníaco (tipo Nikki O-RING). Se instaló un sensor de presión en la cámara principal con un desplazamiento de 638 × 10–6 m3. Se utilizó un pistón de cabeza plana para aumentar la relación de compresión con un diámetro interior y una carrera de 92 mm y 96 mm, respectivamente. La conexión entre la cámara principal y la subcámara se realizó a través de un orificio con una sección transversal de 52,6 mm2. La válvula de mariposa se controlaba manualmente para obtener una presión de admisión constante, que era medida por el sensor de presión del puerto de admisión. Los combustibles (gasolina y NH3) se inyectaron en el puerto de admisión. La sincronización de la inyección y la cantidad de combustible estaban controladas por una unidad de control del motor (ECU) de uso general (INFINITY SERIES 7). La señal de inyección de combustible y la señal de encendido por chispa se transmitieron al registrador de datos simultáneamente. El encendido por chispa se utilizó dentro de la subcámara, donde los tiempos de encendido fueron controlados por la misma ECU y ajustados entre 350°CA ~ 370°CA dependiendo de las condiciones de la mezcla de combustible. Además, la sincronización del punto muerto superior (TDC) del pistón se determinó utilizando datos de presión dentro del cilindro, lo que permitió a los autores confirmar la posición del pistón en tiempo real. Se utilizó para la inyección de combustible y los tiempos de encendido por chispa. Esto se hizo haciendo coincidir los datos de presión dentro del cilindro con la señal del codificador rotatorio (E6B2-CWZ6C) cada dos revoluciones del cigüeñal. El sistema de refrigeración del motor experimental modificado estaba compuesto por un calentador de refrigerante, un intercambiador de calor y una bomba para controlar la temperatura del agua dentro de los canales de refrigeración del motor. La Tabla 2 muestra las especificaciones generales del motor.

Vista esquemática del motor experimental y sistema de adquisición de datos.

La Tabla 3 muestra las condiciones experimentales utilizadas en este estudio. El motor experimental modificado se conectó a un dinamómetro de corrientes parásitas a través de un embrague electromagnético para controlar y ajustar la velocidad del motor a 1000 rpm. Los datos de la temperatura del agua refrigerante se enviaron a la ECU y un controlador PID estabilizó la temperatura del refrigerante en 343 K. El motor experimental modificado era originalmente de aspiración natural, donde la presión de admisión era de 99 kPa. El voltaje de la bujía incandescente se ajustó a 10 V. Se instaló un catalizador en la sección de escape del motor experimental modificado como postratamiento de escape y se calentó a 573 K con calentadores de catalizador para permitir una eficiencia óptima para el tratamiento de los gases de escape. Como se muestra en la Tabla 3, los experimentos con motores se llevaron a cabo cambiando la temperatura del aire de admisión entre 298 K ~ 348 K y el contenido de NH3 en la mezcla de combustible. El consumo de combustible se calculó a partir de los caudalímetros de los inyectores de gasolina y NH3, donde se calculó en consecuencia el poder calorífico total del combustible. La proporción de inyección se cambió dependiendo de cuánto representaba el poder calorífico del NH3 el poder calorífico total. Las proporciones de exceso de aire se variaron entre 1,17 y 1,22, dependiendo del contenido de NH3. Esto se debió a que los valores caloríficos totales de diferentes proporciones de mezclas de NH3/gasolina se establecieron en el mismo nivel. Bajo estas condiciones, las eficiencias térmicas indicadas más altas y el coeficiente de variación más bajo de la presión media indicada del motor (COVIMEP) se alcanzaron para el motor experimental modificado. Para determinar el contenido de NH3 se utiliza un poder calorífico bajo. Por ejemplo, NH3 33% significa que el 67% restante es gasolina que se utilizó para los experimentos. En esta configuración y condiciones experimentales, se logró una co-combustión estable de NH3/gasolina hasta un 66% de NH3 y un 34% de gasolina como proporción de combustible inyectado. Por encima de este límite de contenido de NH3, los valores de COVIMEP fueron superiores al 5%, por lo que se omitieron. En este estudio solo se presentaron valores promedio de más de 100 ciclos, donde las condiciones operativas investigadas se resumieron en la Tabla 3.

Como se mencionó en la sección de introducción, este estudio se realizó en un motor de alta CR que fue modificado para co-combustión de NH3/gasolina. El mecanismo de combustión fue el siguiente: Se inyectaron combustibles al puerto de admisión durante la carrera de admisión del motor (gasolina a -30°CA y amoníaco a 10°CA, como se indica en la Tabla 3). Estos combustibles se mezclaron durante las carreras de admisión y compresión. Durante la carrera de compresión, parte de la mezcla de aire, NH3 y combustible de gasolina se dirigía a la subcámara, donde se usaba una bujía incandescente para calentar la mezcla de aire y combustible, que se usaba principalmente para promover la combustión y aumentar la temperatura ambiente. El fenómeno fue probado experimentalmente en nuestro estudio anterior16. La bujía se inició en diferentes tiempos de CA dependiendo del contenido de NH3 dentro del avance mínimo de chispa para el mejor par (MBT) y sus resultados se analizan en la siguiente sección. Cuando comenzó la carrera de potencia (después de 360°CA para este estudio), la mezcla de aire y combustible encendida por chispa dentro de la subcámara fue llevada a la cámara principal desde el orificio, donde, en este punto, la mezcla de aire y combustible restante El interior de la cámara principal se consideraba bien mezclado. Este fenómeno inició el modo HCCI cuando el gas quemado a alta temperatura fluyó desde la subcámara a la cámara principal.

Los datos de presión dentro del cilindro se utilizaron para calcular la presión efectiva media indicada (IMEP), Pmi [MPa], que se utilizó para caracterizar la potencia del motor, Pi [kW]. Se utilizó la ecuación (1) para calcular el IMEP, que se cambió a una forma discretizada para usarse en los análisis de datos, como la ecuación (1). (2).

donde Vs es el volumen sistólico [m3], P es la presión dentro del cilindro [MPa], V es el volumen de la cámara principal y secundaria [m3]. Pj es la presión dentro del cilindro [MPa] y Vj es el volumen por CA, a es el número total de datos en un ciclo [–].

Se utilizó la ecuación (3) para calcular el COVIMEP para confirmar la estabilidad de la combustión. La combustión se considera estable cuando el COVIMEP es inferior al 10%11.

donde σPmi es la desviación estándar de IMEP [MPa] y \(\overline{{P }_{mi}}\) es el IMEP promedio [MPa].

Generalmente, durante el período de combustión, el calor se transfiere tanto por convección como por radiación entre el gas de combustión dentro del cilindro y las paredes del cilindro. Sin embargo, la transferencia de calor por radiación en un motor SI solo representa del 3 al 4% de la transferencia de calor total21, por lo que se omite en este estudio. La transferencia de calor entre el gas de combustión y la pared del cilindro a través de la ecuación. (4), que se basa en la ley de enfriamiento de Newton.

donde Qht representa la transferencia de calor desde el gas de combustión a la pared del cilindro por ángulo del cigüeñal [kW/°CA], Ac representa el área de la cámara de combustión [m2], Tw es la temperatura media de la pared del cilindro, que se utilizó como 450 K22. hc es el coeficiente de transferencia de calor por convección del gas [kW/m2∙K], que se expresó en la ecuación. (5) basado en la correlación de Hohenberg23.

donde c es el factor de calibración que es igual a 1,4 como lo sugiere Hohenberg23; \(\overline{{S }_{p}}\) representa la velocidad media del pistón [m/s] y se expresa en la ecuación. (6).

La pérdida por enfriamiento, Lc [%], se calculó mediante la ecuación. (7).

donde el límite inferior y superior del θIVC integral, θEVO son el ángulo del cigüeñal de las sincronizaciones de la válvula de admisión cerrada (IVC) y de la válvula de escape abierta (EVO) [˚CA], respectivamente. Los tiempos se dan en la Tabla 2.

Se utilizó la ecuación (8) para calcular la tasa de liberación de calor (HRR) para mostrar la liberación de calor por ángulo del cigüeñal.

donde QHRR es la energía térmica [J/°CA], el subíndice (i) se utilizó para diferentes casos de temperatura del aire de admisión, P es la presión dentro del cilindro [MPa], V es el volumen de la cámara principal y secundaria [m3 ], κ es la relación de calor específico, θ es el ángulo del cigüeñal en grados [°CA]. La eficiencia de combustión [%], ηc, se utilizó para determinar la proporción de combustible quemado, que se calculó a partir de la siguiente ecuación:

donde θ1 es el ángulo del cigüeñal cuando la energía química del combustible ha comenzado a liberarse [˚CA] y θ2 es el ángulo del cigüeñal cuando la energía química del combustible se ha liberado totalmente [°CA]. ma y mg son la masa de NH3 inyectable y de gasolina [kg], respectivamente. Hua y Hug son los valores caloríficos más bajos del NH3 y la gasolina [kJ/kg], respectivamente. Los valores caloríficos más bajos utilizados para el NH3 y la gasolina son 18.600 kJ/kg y 42.280 kJ/kg, respectivamente. La fracción de masa normalizada quemada (NMFB) se obtuvo de la ecuación. (10) dividiendo las energías de liberación de calor instantáneas entre los tiempos IVC y EVO de tres temperaturas diferentes del aire de admisión por la energía de liberación de calor obtenida en el caso de 298 K.

donde la integral de QHRR(i) con respecto al ángulo del cigüeñal es la energía instantánea de liberación de calor [J] para cada caso de temperatura del aire de admisión con un contenido de NH3 del 59%. La integral de QHRR(298 K)(θ) con respecto al ángulo del cigüeñal es la energía de liberación de calor [J] bajo la temperatura del aire de admisión de 298 K. El contenido de NH3 del 59% fue el caso más alto para todas las temperaturas del aire de admisión donde se realizó una combustión estable. logrado, por lo que se utiliza para comparación.

La potencia indicada, Pi [kW] del motor modificado se calculó con la Ec. (11), donde estos valores se utilizaron para calcular la eficiencia térmica indicada ηi, como se muestra en la ecuación. (12).

donde A es el área de la sección transversal del cilindro [m2], S es la carrera del pistón [m], n es la velocidad del motor [rpm], Z es el número de cilindros, que fue 1 para este estudio ya que el motor experimental era un tipo monocilíndrico, e i es un número constante, que se utilizó como 0,5, ya que el motor experimental era del tipo cuatro tiempos.

donde Fa y Fg son las tasas de consumo de combustible para NH3 y gasolina [kg/s], respectivamente.

La temperatura del gas en el cilindro [K] se calculó mediante la ecuación. (13), que se derivó de la ley de los gases ideales.

donde P(θ), V(θ) y T(θ) denotan la presión [MPa], el volumen [m3] y la temperatura [K] por ángulo del cigüeñal del gas en el cilindro desde el IVC al EVO, respectivamente. Pin, Vin y Tin son presión, volumen y temperatura en IVC; por lo tanto, el estaño es la misma que la temperatura del aire de admisión.

Durante los experimentos con el motor se midieron los datos de presión en el cilindro, donde en la Fig. 2 se muestra el caso de una temperatura del aire de admisión de 348 K con diferentes contenidos de NH3. Debido a la presencia de una subcámara, el gráfico de presión en el cilindro resultó en dos picos. puntos (figura de espalda de camello), uno de alrededor de 360 ° CA en el PMS debido a la compresión del pistón, mientras que el segundo ocurrió debido a que la combustión tuvo lugar dentro de la cámara principal durante la carrera de expansión (potencia). A medida que el contenido de NH3 aumentó del 31 al 66%, la presión dentro del cilindro aumentó inicialmente hasta un 52% y luego disminuyó gradualmente con el aumento del contenido de NH3. Sin embargo, la presión máxima en el cilindro se produjo alrededor del mismo CA con diferente contenido de NH3 en la mezcla de combustible debido a los diferentes tiempos de MBT. Los datos de presión en el cilindro obtenidos para diferentes contenidos de NH3 se utilizaron para calcular IMEP y COVIMEP bajo cada condición de temperatura del aire de admisión. Los valores IMEP más altos obtenidos se utilizaron para calcular el MBT, que se muestra entre paréntesis junto al contenido de NH3 en las figuras siguientes. Como ejemplo, en el caso de un contenido de NH3 del 31% a 348 K de temperatura del aire de admisión, se encontró que el MBT era -6 grados BTDC (antes del punto muerto superior), lo que significa que el MBT se alcanzó a 6 °CA después de que el pistón alcanzó el PMS. , que corresponde al inicio del golpe de potencia. Así, escrito como 31(-6). Cabe señalar que, para el mismo contenido de NH3 bajo diferentes temperaturas del aire de admisión, se encontró que el MBT era diferente.

Presión en el cilindro en cada MBT con diferente contenido de NH3 bajo una temperatura de admisión de 348 K (el número entre paréntesis es el MBT en cada condición).

La Figura 3 ilustra el IMEP a una temperatura del aire de admisión de 348 K con diferente contenido de NH3 en la mezcla de combustible. Los valores de IMEP se calcularon a partir de la ecuación. (2). Como puede verse en esta figura, con un contenido de NH3 del 31%, la combustión fue estable durante un largo período debido al alto contenido de gasolina en la mezcla de combustible. Se encontró que el IMEP (MBT) más alto era -6 grados BTDC para 31 % de NH3 a una temperatura del aire de admisión de 348 K. Sin embargo, a medida que el contenido de NH3 aumentaba, el rango de combustión estable se estrechaba. Este fenómeno estaba relacionado con la lenta velocidad de combustión laminar del NH316,17. Es un hecho conocido que la velocidad de combustión laminar de un combustible afecta tanto al límite avanzado como al límite retardado del proceso de combustión. Como puede verse en la Fig. 3, para el caso del contenido de NH3 del 31%, los valores de IMEP fueron estables en un rango más amplio. Sin embargo, a medida que aumentó el contenido de NH3, tanto los tiempos de MBT como los resultados estables de IMEP se hicieron más estrechos. Para los casos con alto contenido de NH3, cuando el tiempo de encendido se adelantó demasiado, se redujo la presión dentro del cilindro (debido a la posición del pistón) y la temperatura del gas dentro del cilindro. Sin embargo, también se sabe que el NH3 necesita una temperatura alta del gas dentro del cilindro para encenderse. Por tanto, el núcleo de llama de la mezcla de combustible no podía expandirse adecuadamente. Por el contrario, una vez más para los casos con alto contenido de NH3, cuando se extendió el límite de retardo, esta vez el pistón comenzó a moverse hacia abajo, reduciendo tanto la presión como la temperatura dentro del cilindro. En estos momentos se produjo una quema parcial de la mezcla de combustible, lo que resultó en valores IMEP reducidos. Se agregaron tres líneas de tendencia en la Fig. 3, para contenidos de NH3 del 59%, 63% y 66%. Las curvas parabólicas inversas representan el efecto de los límites de avance y retardo causados por un rango de combustión estable reducido para casos con alto contenido de NH3. A 348 K, el contenido de NH3 más alto alcanzado fue del 66%, donde la combustión se volvió inestable para tiempos de encendido posteriores a -1 grado BTDC. Cabe señalar que, aunque se utilizó el mismo motor experimental modificado de nuestro estudio anterior14, en comparación con nuestro trabajo anterior la temperatura del refrigerante aumentó de 318 a 343 K. Además, los experimentos con motores comenzaron con combustible de gasolina en estado pobre (exceso de condiciones del aire), y luego se añadió NH3 gradualmente a la mezcla de combustible. Este método se utilizó para superar el fenómeno de detonación y aumentar aún más el contenido de NH3 en la mezcla de combustible. Se pensó que estas modificaciones eran la razón por la que se quemaba con éxito un mayor contenido de NH3, al tiempo que se alcanzaban valores COVIMEP inferiores al 5%, en todos los casos.

IMEP bajo la condición de cada contenido de NH3 con tiempos de encendido de 4 a −6 BTDC (λ = 1,17⁓1,22, voltaje de bujía incandescente: 10 V, temperatura de admisión: 348 K).

La Figura 4 muestra el cambio en la tasa de liberación de calor (HRR) después de la ignición en cada MBT para la temperatura de entrada de 348 K, calculada a partir de la ecuación. (8). El tiempo de encendido se normalizó a 0°CA, ya que era diferente en cada condición debido al diferente contenido de NH3 en la mezcla de combustible. También cabe señalar que, después del pico, la HRR se acerca asintóticamente a cero, lo que indica una compensación precisa por la pérdida de enfriamiento (calculada a partir de la ecuación (4)) de la cámara de combustión. A partir de esta figura, se hizo evidente que a medida que aumentaba el contenido de NH3, disminuía la HRR. Además, como puede verse en esta figura, el ancho de cada curva se hizo más amplio a medida que aumentaba el contenido de NH3. Para un contenido de NH3 del 31%, se encontró que el inicio y el final de HRR eran 17°CA, mientras que para un contenido de NH3 del 66% el ancho se incrementó a 30°CA. Se pensaba que este resultado estaba relacionado con la lenta cinética química del NH3, lo que hacía que la llama quemada tardara más en propagarse y liberar su energía. Los puntos máximos de las curvas también se retrasaron como resultado de un LBV más lento de NH3. Además, se esperaba que la combustión de HCCI ocurriera en la cámara principal, ya que la curva HRR es similar al estudio previo de Pochet et al.7.

HRR para diferentes contenidos de NH3 bajo una temperatura de entrada de 348 K.

La Figura 5 ilustra las emisiones de NOX en cada MBT para diversos contenidos de NH3 bajo la temperatura de entrada de 348 K. Desde un contenido de NH3 del 31% al 52%, las emisiones de NOX mostraron una tendencia creciente. A medida que aumentó aún más el contenido de NH3, se redujeron las emisiones de NOX. Esto se relacionó con la disminución de la eficiencia de la combustión debido al retraso en alcanzar altas temperaturas de ignición para los casos con mayor contenido de NH3. Se dan más detalles sobre este fenómeno en la Fig. 9. Con el aumento de NH3 en la mezcla de combustible, debido al valor estequiométrico más bajo de NH3, la gasolina queda con una abundancia de moléculas de oxígeno libres. Esto resultó en un ambiente más pobre, creando condiciones difíciles para que la gasolina se quemara y ayudara al NH3 a alcanzar altas temperaturas de ignición. Por lo tanto, se redujo la temperatura del gas dentro del cilindro, lo que resultó en menores emisiones de NOX. Sin embargo, en comparación con estudios anteriores7,8,9, en los que se utilizó NH3 como combustible auxiliar o principal en experimentos con motores, los valores actuales de emisiones de NOX estaban en línea con esos resultados.

Emisiones de NOX en cada MBT para diversos contenidos de NH3 por debajo de la temperatura de entrada de 348 K.

La Figura 6 muestra la influencia del contenido de NH3 en el avance del MBT bajo diferentes temperaturas del aire de admisión. Dado que el NH3 tiene un LBV más lento en comparación con la gasolina (ver Tabla 1), bajo la misma temperatura del aire de admisión, el MBT avanzó (valores que van de -6 a 3 grados BTDC) a medida que el contenido de NH3 aumentó del 31 al 66 %. Además, el mayor contenido de NH3 quemado aumentó al aumentar la temperatura del aire de admisión de 323 a 348 K. Se pensó que la razón de este resultado era que el aumento en la temperatura inicial de la mezcla de aire y combustible promovía la reacción de oxidación a baja temperatura que Permite la ignición de combustibles NH3 y gasolina. De este modo se amplió el rango de co-combustión NH3/gasolina.

MBT de cada contenido de NH3 bajo temperaturas de entrada de 298 K, 323 K y 348 K.

La Figura 7 muestra el cambio máximo de temperatura del gas a medida que el contenido de NH3 aumentó bajo diferentes temperaturas del aire de admisión, donde las temperaturas del aire se calcularon mediante la ecuación. (13). Como se esperaba, los casos con temperaturas más altas del aire de admisión dieron como resultado temperaturas máximas más altas del gas a medida que se completaba la combustión. Sin embargo, aunque los valores de COVIMEP todavía eran inferiores al 5%, a medida que aumentaba el contenido de NH3, a temperaturas más altas del aire de admisión la temperatura máxima del gas disminuía a un ritmo más rápido. A medida que aumentaba la temperatura del aire de admisión, se promovía una reacción de oxidación a baja temperatura, lo que también aumentaba la temperatura del gas de combustión. Sin embargo, a medida que el contenido de NH3 aumentó aún más, la temperatura del gas de combustión disminuyó debido tanto al retraso en la HRR máxima como al final de la combustión. Esto se debe al efecto de combustión lenta causado por las condiciones pobres a medida que aumentaba el contenido de NH3.

Temperatura máxima del gas de cada condición MBT con diferente contenido de NH3 bajo las temperaturas de entrada de 298 K, 323 K y 348 K.

La duración de la combustión se define como el ángulo del cigüeñal en el que se alcanza del 10% (CA10) al 90% (CA90) de la energía total de liberación de calor en el motor modificado. La duración de la combustión de cada MBT bajo diferentes temperaturas del aire de admisión se muestra en la Fig. 8. Con un contenido bajo de NH3, las temperaturas de admisión más altas mostraron una duración de combustión más corta, alrededor de 9°CA. Sin embargo, a medida que el contenido de NH3 aumentó aún más, la duración de la combustión comenzó a aumentar, siguiendo una trayectoria polinómica cuadrática. Esto estaba relacionado con la cinética lenta del NH3 y un ambiente más pobre que causaba una menor eficiencia de combustión de la gasolina con un mayor contenido de NH3 en la mezcla de combustible. Sin embargo, cabe señalar que con el aumento de la temperatura del aire de admisión, el contenido de NH3 en la mezcla de combustible aumentó al 66%, donde la duración de combustión más larga se encontró alrededor de 17°CA. Cuando se revisó la literatura, se encontró que para un motor SI típico que usa gasolina, la duración de la combustión se calculó aproximadamente en alrededor de 26°CA24. Estos resultados muestran que la adición de una subcámara, que estaba equipada con bujías y bujías incandescentes, promovió el mecanismo de combustión incluso para mezclas de combustible NH3/gasolina.

Duración de la combustión de cada condición MBT con diferente contenido de NH3 a las temperaturas de entrada de 298 K, 323 K y 348 K.

La Figura 9 ilustra la eficiencia de la combustión, que se calculó mediante la ecuación. (9), bajo diferentes temperaturas del aire de admisión, aumentando el contenido de NH3 del 31 al 66%. Inicialmente, con un contenido de NH3 del 31%, todas las condiciones de temperatura del aire de admisión mostraron valores de eficiencia de combustión similares. Sin embargo, a medida que aumentó el contenido de NH3, la eficiencia de la combustión disminuyó, especialmente para las temperaturas más altas del aire de admisión. Se pensó que esto estaba relacionado con el hecho de que el NH3 tiene una temperatura de ignición alta, lo que se vio afectado por una menor eficiencia de carga en casos de temperaturas de entrada más altas. Cabe señalar que la proporción de exceso de aire se alteró entre 1,17 y 1,22, dependiendo del contenido de NH3 en la mezcla de combustible. Se informó que las condiciones enriquecidas con oxígeno eran más adecuadas para la combustión de NH3, ya que el LBV aumentaba16. Sin embargo, esta condición no era adecuada para una combustión completa de gasolina. En estas condiciones, bajo la misma temperatura del aire de admisión, a medida que aumentaba el contenido de NH3, la mezcla de aire y combustible se volvía más pobre para el combustible de gasolina. Esto estaba relacionado con la menor relación estequiométrica aire-combustible necesaria para la combustión de NH3. Con un aumento de NH3 en la mezcla de combustible, la gasolina quedó con abundante oxígeno, lo que resultó en un ambiente más pobre. Este ambiente con exceso de aire provocó una menor eficiencia de combustión de la gasolina, en comparación con el motor de gasolina SI estándar25. Como resultado de este fenómeno, sin una combustión completa de la gasolina, el NH3 no podría alcanzar altas temperaturas de ignición con la suficiente rapidez. Por lo tanto, se reducen aún más las eficiencias de combustión generales con un mayor contenido de NH3. Además, se descubrió que el anillo del pistón estaba atascado con aparente corrosión en su superficie cuando se inspeccionó el motor experimental después de los experimentos. En el momento de la inspección el cronómetro del motor marcaba 120 h. Se cree que esta corrosión y la formación de hollín debido a la gasolina causaron que el anillo del pistón se atascara y aumentara la proporción de gases de escape durante el funcionamiento del motor. Con el aumento de los gases de escape debido a la corrosión, parte de la mezcla de aire y combustible a alta temperatura se escapó al cárter, lo que redujo la eficiencia general de la combustión, bajo todas las temperaturas del aire de admisión.

Eficiencia de combustión de cada MBT con diferentes contenidos de NH3 bajo las temperaturas de entrada de 298 K, 323 K y 348 K.

La Figura 10 ilustra la comparación del efecto de la temperatura del aire de admisión en los resultados de la fracción de masa normalizada quemada con 59% de NH3, que se calcularon mediante la ecuación. (10). El 59% fue el contenido más alto de NH3 donde se logró una combustión estable bajo todas las temperaturas del aire de admisión. Como se puede ver en la figura, cuando se aumentó la temperatura del aire de admisión, la duración de la combustión se redujo, lo que fue una indicación de que el ambiente de alta temperatura promovía la velocidad de combustión del NH3. Sin embargo, a medida que aumentó la temperatura del aire de admisión, la fracción de masa quemada disminuyó. Se pensó que esto era un resultado aparente de una menor eficiencia de carga que causaba una combustión incompleta en casos de temperatura del aire de admisión más alta.

Efecto de la temperatura del aire de admisión sobre la fracción de masa quemada y la duración de la combustión con un contenido de NH3 del 59%.

La Figura 11 muestra la eficiencia térmica indicada, calculada por la Ec. (12), resultados a diferentes temperaturas del aire de admisión a medida que aumentaba el contenido de NH3. Como se muestra en la Tabla 1, y en línea con estudios previos7,8,9,11, para promover la combustión de NH3, el ICE debe tener una relación de compresión alta con una temperatura ambiente más alta dentro de la cámara principal para una combustión estable y más eficiente. . Sin embargo, las elevadas temperaturas del aire de admisión provocaron una pérdida de eficiencia de carga. Por lo tanto, se hizo evidente que a medida que aumentaba la temperatura del aire de admisión, las eficiencias térmicas disminuían en un patrón más rápido para contenidos más altos de NH3. Además, de manera similar a los resultados de eficiencia de combustión, con el mismo contenido de NH3, temperaturas más altas del aire de admisión dieron como resultado una menor eficiencia de carga, lo que provocó resultados de eficiencia térmica indicados aún más bajos.

Eficiencia térmica indicada de cada MBT a diferentes contenidos de NH3 bajo las temperaturas de entrada de 298 K, 323 K y 348 K.

En este estudio, se hizo funcionar un motor CR modificado de CI 17.7:1 asistido por chispa con una subcámara equipada con bujías incandescentes y bujías bajo diversas proporciones de mezcla de NH3/gasolina. Se utilizaron bujías incandescentes y bujías en la subcámara para aumentar la temperatura ambiente de la mezcla de combustible, lo que mejoraría la velocidad de propagación de la llama del combustible. Utilizando un sistema de aspiración natural con un mecanismo de calentamiento del aire de admisión y una temperatura del refrigerante de 343 K, el motor experimental modificado pudo funcionar con un contenido de NH3 del 66% a 1.000 rpm. En todos los casos, los valores de COVIMEP fueron inferiores al 5%, lo que indica que tuvo lugar un proceso de combustión estable en el motor experimental modificado. Además del rendimiento del motor, se encontró corrosión en los segmentos del pistón. Varios hallazgos clave de este estudio se enumeran a continuación:

Se confirmó que la utilización de bujías y bujías incandescentes dentro de la subcámara del motor modificado permitió una duración de combustión más corta. Se pensó que esto era un resultado debido al uso del calentador de aire de admisión, lo que crea temperaturas más altas del gas dentro de la cámara de combustión y promueve la combustión. Se encontró que la duración de combustión más larga era alrededor de 17°CA, lo que supuso una mejora drástica para el NH3 con una cinética lenta.

A medida que aumentaba la temperatura del aire de admisión, el contenido de NH3 en la mezcla de combustible alcanzaba hasta el 66%. A medida que aumentó el contenido de NH3, se observó que el MBT avanzaba.

Los experimentos con motores comenzaron con gasolina en estado pobre (exceso de aire) y luego se añadió gradualmente NH3 a la mezcla de combustible. Se utilizó gasolina como promotor para ayudar al NH3 a alcanzar una alta temperatura de ignición. Sin embargo, a medida que el contenido de NH3 aumentó aún más, hubo más oxígeno disponible para la gasolina, creando un ambiente más pobre debido a la menor relación estequiométrica de masa A/F de NH3. Esto provocó que la eficiencia de la combustión de gasolina se deteriorara, lo que resultó en un retraso en alcanzar altas temperaturas de ignición para que el NH3 se encendiera. Por lo tanto, se observó una disminución adicional en la eficiencia de la combustión a mayor contenido de NH3.

Se descubrió que, con el mismo contenido de NH3, a medida que aumentaba la temperatura del aire de admisión, disminuía la eficiencia de carga. Esto provocó temperaturas más bajas dentro del cilindro, lo que resultó en una propagación de la llama más lenta, reduciendo así la combustión, e indicó eficiencias térmicas.

Durante la inspección del motor experimental después de 120 h de funcionamiento, se encontró corrosión y formación de hollín en los segmentos del pistón. Esto provocó que el segmento del pistón se atascara, lo que aumentó los gases de escape. El aumento de los gases de escape resultó en eficiencias térmicas y de combustión más bajas que el funcionamiento habitual del motor.

Finalmente, creemos que los resultados experimentales de este estudio dejaron en claro la necesidad de aumentar la presión de sobrealimentación en el sistema de admisión, con el fin de mejorar la eficiencia de carga a temperaturas más altas del aire de admisión para mejorar aún más el rendimiento y la eficiencia del motor experimental modificado. Además, quedó claro que el fenómeno de la corrosión requiere atención durante largas horas de funcionamiento del motor experimental. Con base en estos resultados, también investigaremos la relación entre la corrosión en la cámara de combustión y sus efectos sobre las características de la combustión, que será el tema principal de nuestros próximos estudios.

Los autores declaran que todos los datos experimentales que respaldan este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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El presente trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, Subvenciones para la Investigación Científica (No. 19K04244) y la Beca Especial para Investigación Académica de la Universidad Sophia, Investigación en Áreas Prioritarias.

Este trabajo cuenta con el apoyo de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, Subvenciones para la Investigación Científica (No. 19K04244) y la Universidad Sophia, Tokio, JAPÓN.

Departamento de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad Sophia, Tokio, 102-8554, Japón

Emir Yilmaz, Mitsuhisa Ichiyanagi y Takashi Suzuki

Escuela de Graduados en Ciencia y Tecnología, Universidad Sophia, Tokio, 102-8554, Japón

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

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EY analizó los datos experimentales, escribió el texto principal del manuscrito, preparó las Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y Tablas 1, 2, 3. Análisis de datos experimentales de MI, revisión y edición del manuscrito, supervisión. QZ, BG y NA realizaron los experimentos. MK, HS y TO realizaron experimentos y participaron en debates. Análisis de datos experimentales de TS, revisión y edición de manuscritos, supervisión. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Takashi Suzuki.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Yilmaz, E., Ichiyanagi, M., Zheng, Q. et al. Investigación del efecto de la temperatura del aire de admisión sobre las características de co-combustión de NH3/gasolina en un motor de aspiración natural con alta relación de compresión y subcámara. Representante científico 13, 11649 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38883-3

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Recibido: 09 de mayo de 2023

Aceptado: 17 de julio de 2023

Publicado: 19 de julio de 2023

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

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