Experimental study of ammonia sprays
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ENG3069
Degree programme
Language
en
Pages
74+6
Series
Abstract
Experimental studies have shown that ammonia can be used as an alternative to fossil fuels in internal combustion engines. The literature shows that many experimental studies have addressed ammonia over the years. The goal of the first experimental ammonia studies was to solve a possible shortage of traditional fossil fuels, but more recently ammonia has been studied as a carbon-free alternative fuel. Ammonia has many beneficial properties, such as carbon-free structure, high gravimetric H2 density, fair production costs and being easy to store. The previous experimental studies have shown that ammonia would be a good alternative especially for marine and heavy-duty engines. However, there are technical challenges in using ammonia as an internal combustion engine fuel which are related to some of the properties of ammonia such as high autoignition temperature, corrosiveness, and low flame speed. The experimental studies have shown that dual fuel operation could be an approach to solve those problems and that the addition of hydrogen would be the most effective way to use ammonia as an internal combustion engine fuel. Even though higher NOx emissions have been measured in ammonia powered engines, these emissions can be controlled using aftertreatment systems. Since the topic has yet not been studied much, more research is needed to find the most effective ways to use ammonia as internal combustion engine fuel. In the experimental part of this thesis, ammonia sprays were studied using an optical z-type schlieren imaging technique. In the measurements, ammonia, methanol, and ethanol were injected using a hollow cone injector into a constant volume chamber using different injection and chamber pressures. A high-speed camera was used to capture the spray images. The images were analysed using a Matlab code. The results of the ammonia spray experiments showed differences between shapes of the fuel sprays and how the injection pressure, the chamber pressure and the pressure ratio are affecting the geometry of the spray. The results showed also that ammonia, methanol, and ethanol sprays have quite similar geometry. The results showed further that the penetration and area of spray increase when the injection pressure increases. The results also showed that a higher chamber pressure leads to the lower spray penetration and area of spray. Since this is the first-ever experimental study in ammonia spray, further spray study with different conditions and nozzle type needs to be continued and a study into the fundamental physics of spray and atomization of ammonia injection at engine-like conditions needs to be performed in order to design efficient and low-pollutant engines.Kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että ammoniakkia voidaan käyttää polttomoottoreissa vaihtoehtoisena polttoaineena fossiilisille polttoaineille. Kirjallisuus osoittaa, että ammoniakkia on tutkittu monissa kokeellisissa tutkimuksissa vuosien varrella. Ensimmäisten kokeellisten tutkimusten tavoitteena oli ratkaista mahdollinen perinteisten fossiilisten polttoaineiden puute, mutta viime aikoina ammoniakkia on tutkittu hiilettömänä vaihtoehtoisena polttoaineena. Ammoniakilla on monia hyviä ominaisuuksia, kuten esimerkiksi hiiletön rakenne, korkea gravimetrinen vetytiheys, kohtuulliset tuotantokustannukset ja sitä on helppo varastoida. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että ammoniakki voisi olla sopiva vaihtoehtoinen polttoaine erityisesti laivamoottoreille ja suurtehomoottoreille. Ammoniakin käyttämisessä polttomoottorissa on kuitenkin teknisiä vaikeuksia, jotka liittyvät ammoniakin ominaisuuksiin, kuten esimerkiksi korkeaan itsesyttymislämpötilaan, syövyttävyyteen ja hitaaseen palamisnopeuteen. Kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että rinnakkaispolttoaineen käyttö voisi olla tapa ratkaista kyseiset ongelmat ja että vedyn lisääminen polttoprosessiin voisi olla tehokkain tapa käyttää ammoniakkia polttomoottoripolttoaineena. Vaikka korkeita NOx päästöpitoisuuksia on mitattu ammoniakkimoottoreista, päästöjen määrää pystytään kontrolloimaan käyttämällä erilaisia jälkikäsittelymenetelmiä. Koska aihetta ei kuitenkaan ole vielä tutkittu paljoa, lisätutkimusta tarvitaan tehokkaimpien tapojen löytämiseksi ammoniakin käyttämiselle polttomoottorin polttoaineena. Tämän työn kokeellisessa osassa tutkittiin ammoniakkisuihkuja käyttämällä z-tyyppistä schlieren menetelmää. Mittauksissa ammoniakkia, metanolia ja etanolia ruiskutettiin onttokartiosuuttimen avulla paineistettuun koekammioon käyttäen erilaisia ruiskutus- ja kammiopaineita. Kuvien ottamiseen polttoainesuihkuista käytettiin suurnopeuskameraa ja kuvat analysoitiin käyttämällä Matlab koodia. Kokeiden tarkoituksena oli vertailla erilaisia polttoainesuihkuja ja osoittaa, miten ruiskutuspaine, kammiopaine ja painesuhde vaikuttavat polttoainesuihkun geometriaan. Kokeellisen osan tulokset osoittivat, että ammoniakki, metanoli ja etanoli suihkut ovat geometrisesti melko samanlaisia. Tulokset osoittivat myös, että polttoainesuihkun tunkeuma ja pinta-ala kasvavat ruiskutuspaineen kasvaessa. Vastaavasti korkeampi kammiopaine johtaa pienempään suihkun tunkeumaan ja pinta-alaan. Koska tämä on vasta ensimmäinen ammoniakkisuihkuja käsittelevä tutkimus, ammoniakkisuihkujen tutkimusta on jatkettava edelleen käyttäen erilaisia olosuhteita ja suuttimia sekä tutkittava ammoniakin ominaisuuksia moottorinomaisessa tilassa.Description
Supervisor
Larmi, MarttiThesis advisor
Larmi, MarttiQiang, Cheng