The impact on engine components and engine systems when using ammonia as fuel in internal combustion engines
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2022-12-12
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
106+12
Series
Abstract
Rising global greenhouse gas emissions have increased interest towards alternative carbon-free fuels such as hydrogen and ammonia. Ammonia is an attractive option due to its favourable physical properties and existing infrastructure for storing and transportation. Research has shown that ammonia can be used as an alternative to fossil fuels in internal combustion engines. However, few studies have addressed the possible long-term complications of using ammonia as a fuel in internal combustion engines. Consequently, this thesis evaluates the suitability of different materials and engine components through a literature review, as well as using laboratory and in-engine testing. In the literature review, a theoretical evaluation of components in the engine’s air intake, exhaust system and parts in contact with the engine lubrication oil, regarding suitability with ammonia, is assessed. It was found that components containing copper alloys, namely bearings, are at risk of ammonia-induced corrosion. Similarly, seals made from fluoroelastomer (FKM) are not suitable with ammonia. Moreover, the low flammability of ammonia leads to small amounts of unignited ammonia entering the exhaust pipe, called ammonia slip. The inevitable ammonia slip could theoretically be exploited in a conventional selective catalytic reduction (SCR) system to reduce nitrogen oxide emissions. Since ammonia is highly soluble in water, an exhaust gas scrubber is another feasible solution for removing ammonia slip. Additionally, the in-engine tests showed that exposure to low levels of ammonia during 50 running hours over 108 days had no negative effect on the multiple copper alloy, sealant and FKM seal test samples. However, the accelerated aggressive tests showed that copper alloys are susceptible to ammonia-induced corrosion when exposed to higher concentrations of ammonia gas in an enclosed container over a 360-hour period. This test also showed that seals made from FKM will lose their physical properties and experience a significant volume increase when exposed to high concentrations of ammonia gas. The results of this thesis showed that further material tests with lower ammonia concentrations are needed, as well as field follow-up of the first engines operating on ammonia.Med stigande globala utsläpp av växthusgaser har intresset ökat för kolfria alternativa bränslen såsom väte och ammoniak. Ammoniak är ett attraktivt alternativ p.g.a. dess gynnsamma fysikaliska egenskaper och existerande infrastruktur för lagring och transport. Ett flertal studier har visat att ammoniak kan användas som ett alternativ till fossila bränslen i förbränningsmotorer men få offentliga studier har undersökt möjliga långsiktiga problem. Denna avhandling undersöker och utvärderar lämpligheten av olika material och system i en litteraturstudie samt genom laboratorie och motortestning. I litteraturstudien utvärderas komponenter av motorns insugs och avgassystem samt delar som är i kontakt med motorns smörjolja med hänsyn till lämplighet i kombination med ammoniak. Studien fann att komponenter innehållande kopparlegeringar, huvudsakligen lager, löper risk för ammoniakinducerad korrosion samt att tätningar gjorda av fluoroelastomer (FKM) inte bör användas i en ammoniakmotor. Dessutom leder ammoniaks svårantändlighet till att en liten mängd oförbränd ammoniak kvarstår i avgaserna. Den oförbrända ammoniaken skulle teoretiskt kunna utnyttjas i ett konventionellt selektivt katalytiskt reduktions (SCR) system för att minska kväveoxid utsläppen. Eftersom ammoniak är mycket lösligt i vatten kunde användingen av en skrubber också vara ett möjligt alternativ för att avlägsna ammoniak ur avgaserna. I motortesten lades materialprover av olika lagermaterial, olika sorters tätningsmedel samt tätningar gjorda av FKM in i vevhuset på en ammoniakmotor och togs ut och analyserades efter 108 dagar och 50 körtimmar på ammoniak. Analysen av proverna som varit i motorn visade inga tecken på skador. Emellertid visade laboratorietestning att korrosion uppkommer på kopparlegeringar som är utsatta för höga koncentrationer av ammoniakgas under ett tidspan av 360 timmar. Testet visade även att tätningar gjorda av FKM förlorar sina fysikaliska egenskaper samt genomgår en betydande volymökning när de utsätts för höga koncentrationer av ammoniak gas. Baserat på denna avhandling rekommenderas fler materialtester med lägre ammoniakkoncentrationer, samt fältuppföljning av de första ammoniakmotorerna i drift.Description
Supervisor
Bossuyt, SvenThesis advisor
Portin, KajKeywords
alternative fuels, ammonia, carbon-free fuels, internal combustion engine