Développement de la technique « Laser-Induced ...
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19/05/2008 1
23/04/2019
Ammonia as fuel for for land transport
engines : an utopia ?
Christine MOUNAIM-ROUSSELLE
Professeur University of Orléans
1
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19/05/2008 1
Objective 95kg/100 km in 2021
Future CAFE (Corportate Average Fuel
Economy) Standard
23/04/2019
2
• Excluded the 5th most pollutant vehicles
• Vehicles with less than 50 kh/100 km
count double
• Projection based on 2019 sales :
• Diesel gate + increase of big SUV
sales
• France example :
• 2012 : > 70% of sales
• 2018 : < 40%
• 2010 < 10%
• 2017 > 30%
(7/12/2018)
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19/05/2008 1
Recent report (april 2019) fromFrench PARLIAMENTARY OFFICE FOR ASSESSING
SCIENTIFIC AND TECHNOLOGICAL CHOICES
(based on Ifpen and ADEME)
Hypothesis :
Energetics mix : 46% nuclear, 50% renewable
energy, 4% fossil in 2035
Conclusion :
Same predictions : No ICE without
hybrid part
The future : example of France
23/04/2019
3
expected R&D
progress on
batteries and
fuel cells
higher
progress
so price
decrease
higher
progress on
Fuel cells and
hydrogen tanks
so price
decrease
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19/05/2008 1
The future : example of France
23/04/2019
4
BUT GOOD NEWS :
- for combustion researchers
STILL ICE
Conclusion from the report
CO2 divided by a factor 5 (all scenarii)
So GOOD NEWS for combustion researchers
During transition period STILL ICE (What duration ..)
but « LOW CARBON (ZERO) vehicle
UNTIL CARBON FREE vehicle
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19/05/2008 1
Electrofuels
23/04/2019
5
Joint Workshop IEA /European Commission, 10/09/2018
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19/05/2008 1
AMMONIA as
FUEL
Spark Ignition
Engine
Compression
Ignition Engine
Fuel Cell
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19/05/2008 1
1940 : Belgium
NH3/Coal gas
10000 miles
1960-1966 :US Army
Rocket record
Produce NH3 fromnuclear power
2007-2012 : Michigan University
NH3/Gasoline
3800 km
2012-2015 : KIER
Dual Fuel
NH3/Gasoline
10L/100km
Until 70% NH3
A ‘brief’ history : some real examples
23/04/2019
7
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19/05/2008 1
1965-1967
US Army/ GM/ Universities
1974
Danmark,Belgium
1985-1988 :London/Ricardo
Egypt
2000’s :
Toyota
2009 :
Michigan University
Ontario University
‘Research’ history : NH3 as fuel for ICE
23/04/2019
8
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19/05/2008 1
2011-2013: Iowa university
Texas University
Pisa Univeristy
DTU
Louvain La neuve University
2013-2015
Japan
2017
Séoul University
Coruna Unviersity
Singapore, China
India
Belgium
2018
Istanbul University
Belgium universities
Ontario University(system analysis
Range extender)
2019 :XX,xx,xx
The last 10 years
23/04/2019
9
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19/05/2008 1
1965-1967
Pure NH3
- Double spark plugs (SI)
- Liquid injection (CI)
Combustion/ignition promoters
C5H11NO2, H₂N-N(CH₃)₂, H2, acetylène, butane
1977DTU
Denmark
FIRST DUAL FUEL
Ignition by Diesel pilot
1985-1988 :London
Pure NH3
2000’s :
Toyota
48%NH3+52%Dissociated
Different igniters solution
2009 :
Michigan University
70% NH3/Gasoline
Some examples
23/04/2019
10
CFR
Gas (carburettor)
Liquid injection
Ricardo single cylinder
Gas (carburettor)
Liquid injection
CFR
Gas (carburettor)
Single Research
CI engine
NH3 vapor +air
intake
CFR = Cooperative Fuel Research (monocylinder)
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19/05/2008 1
Iowa university
NH3+Gasoline
DTU
NH3+H2
(5% in vol min)
Pisa University
NH3+H2
RANGE EXTENDER
Texas university
NH3+H3
NH3+gasoline
EMULSION
Gasoline+methanol+ethanol+NH3
KIER
Flex Fuel
Gasoline+NH3 (70%)
LPG + NH3
Some examples : Spark Ignition Engine
23/04/2019
11
CFR
Gas PFI
Gaseous direct injection
Twin Lombardini
Gas PFI
LPG injector
Hyundai engine
LPG PFI
CFR
Gas PFI
GM engine
Gas PFI
Direct gas Inj
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19/05/2008 1
Iowa university
NH3+Diesel (max 95%)
NH3+DME (max 60%)
Louvain-VRIJE –Orléans Universities
NH3+H2
HCCI
Seoul University
Pure NH3
Precombustion/main combustion
Singapore Univ
Diesel+NH3+kerosene
Spain Univ.
Diesel+NH3+H2
23/04/2019
12
JOHN DEERE
Gas PFI (NH3)
Liquid mixture GDI (200 b)
Single cylinder
research engine
Gas/premixed
10 cyl. MAN engine
4 cylind. CI engine
5 cyl.CI engine
Liquid GDI (500 b)
Some examples : Compression Ignition Engine
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19/05/2008 1
NH3 properties
Fuel PhaseStorage
T (°C)
Storage
Pressure
(Bar)
Density
(kg/m3)
Molar
mass
(g/mol)
Latent heat
Vaporization
(kJ/kg)
Heat
Capacity
Ratio
Lower
Heating
Value
(MJ/Kg)
Ignition
limit (%)
Auto-ignition
Temperature
°C
Minimum
ignition
energy
(mJ)
Octane
Number
stoichio
metric
A/F ratio
(Mass)
SL° (m/s)
- stoich.
Liquid 25 >10 602.8
Gas 25 10< 6.7
Liquid -253 1 17.5
Gas 25 245 71
methane Gas 25 1 6.6 16 1.32 50.1 4.4%-17% 537 0.3 130 12.9 0.38
Gasoline
C8H18 +…Liquid 25 1 745 114 350 1.4 42.5 1.4% - 7.6% 275 0.14 87-93 14.5 0.45
Diesel
C12H23
+…
Liquid 25 1 832 167 250 1.4 45 1% - 6% 250 20 6.4
0,12
3.5
Ammonia 1370
Hydrogen >100
>130 6.8
34.3
8
530 0.018
17
2 1.41
1.32 18.8
120
15.8%-28%
4% - 76%
651
High knock resistance
cheaper storage
☺ Good energy density (in comparison to gasoline and H2)
☺ NH3 = least expensive fuel in terms of cost per GJ stored
☺ Cheapest per 100 km driving range
Lower flammability range,
Lower laminar flame velocity, (1/5 in comparison to gasoline)
Higher minimum AMIE
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19/05/2008 1
AMMONIA as
FUEL
Spark Ignition
EngineCompression
Ignition Engine
Pure NH3
Ignition and/or
combustion
promoter
Gasoline
NG, CH4
H2
Dual/Fuel :
Ignition
promoter
Diesel,
Biodiesel
DME
H2
Alcohol
Fuel Cell
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19/05/2008 1
- Advanced Spark timing
- Lower energy available
Lessons from the past _I
7 b
5.5 b
11 b
IMEP
- Higher fuel consumption
- Lower : 0.8 - 0.9 ER
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19/05/2008 1
Main conclusion
Lessons from the past _I
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19/05/2008 1
High energy for ignition :
Solutions ?
Lessons from the past _II
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19/05/2008 1
Lessons from the past _II
Increase of CR = increase
combustion efficiency
especially at high engine
speed
Expected related to
laminar flame speed
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19/05/2008 1
Increase intake pressure = increase
global efficiency
BETTER efficiency than with gasoline
can be obtained !
Lessons from the past _II
1.6 b Pint
1.6 b Pint
1.6 b Pint
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19/05/2008 1
2.5% in weight sufficient (less
than 0.15% in volume)! To
enhance combustion
But
Effect of H2 not linear : High rpm with supercharged
Hydrogen addition to the ammonia beneficial
But supercharged + low speed = optimum
condition for ammonia combustion : no hydrogen
addition not needed
combustion speed versus heat
transfer balance ?
Lessons from the past _II
H2 fraction
(%vol)
H2 fraction
(%mass)HAER (%)
0 0,00 0,00
5 0,62 3,95
10 1,29 8,34
15 2,03 13,25
20 2,86 18,77
40 7,27 50,06
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19/05/2008 1
First on-board H2 generator from ammonia
dissociation
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19/05/2008 1
Cylinder head and spark plug covered with a film of rust in areas with no deposit buildup
No effect on lubricant oils 1966 …
Unique paper which mentioned‘ ammonia had a reasonable looking "spray" pattern’ ‘
But : single-cylinder American Bosch
APE-IB injection pump, AKB 50S-type nozzle holder, and 30S-3-1 pintle-type nozzle
1966 pump
Ammonia = corrosive to copper, copper
alloys, nickel and plastics
Lessons from the past _III
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19/05/2008 1
CFR engine experiment
Not a real one !
FOR PURE NH3 :
CR between 30 and 35 !!!
Decomposition of NH3
Fragment of NH3
Help of additives :
- 10% hydrazine : CR
minimum 24
- Intermediate reactions
- 10% dimethyl hydrazine :
CR minimum :23.2
Lessons from the past _III
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19/05/2008 1
Better efficiency due to
the heat of vaporization
BUT Not real Diesel
mode :
HELP of Spark plug :
1966 first Spark Assisted
Compression Ignition
Lessons from the past _IV
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19/05/2008 1
1977 : first study with Real single cylinder CI engine
( DTU)
DUAL FUEL
‘
Lessons from the past _V
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19/05/2008 1
SO
Not real conclusions
1977’ study
what ‘s about the actual engine ?
What’s about NH3 output / slit ?
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19/05/2008 1
Modified ignition sytem ?
Promoter for combustion development ?
Exhaust gases ?
PURE Ammonia as fuel = feasible ?
23/04/2019
27
Focus on SI engine
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19/05/2008 1
More recent studies in SI engine
23/04/2019
28
6% HAER = < 10% H2 in volume
H2 fraction
(%vol)
H2 fraction
(%mass)HAER (%)
0 0,00 0,00
5 0,62 3,95
10 1,29 8,34
15 2,03 13,25
20 2,86 18,77
40 7,27 50,06
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19/05/2008 1
More recent studies in SI engine
23/04/2019
29
NH3 sensor < 100 ppm
Nox reduction by SCR
(NH3 on board)
Cold start : 1100 rpm / low IMEP (2 bars) : pure H2 !
H2 fraction
(%vol)
H2 fraction
(%mass)HAER (%)
0 0,00 0,00
5 0,62 3,95
10 1,29 8,34
15 2,03 13,25
20 2,86 18,77
40 7,27 50,06
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19/05/2008 1
30
More recent studies in SI engine :
emission
80% NH3/20%H2
CR = 7Optimised Spark Timing
Greenhouse effect : hypothesis 40 ppm
Global Warming Potential (100 years) =
265
40.10-6*265*100 = 1% CO2 eq. in the
exhaust
(NO2 and CO2 have the same molar
mass)
Increase Nox with CR (6000 ppm !!)
but 100 ppm NO2
NH3 unburned not a problem in lean
condition
- Solution Use Ammonia oxidation
catalyst
- SCR (selective catalytic reduction) to
reduce both Nox and NH3
ST
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19/05/2008 1
What isthe real potential of NH3 as fuel for future
vehicles ICE ?
23/04/2019
31
Focus on SI engine
Charles LHUILLIER PhD student,
Pierre BREQUIGNY, Bastien RAITIERE
Francesco CONTINO*,
*
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19/05/2008 1
Commercial Peugeot(-BMW)
« EP6DT » Spark-Ignition
Engine :
Gdi engine : piston ’bowl’
4-Cylinder, 4-Stroke, 4-valve
pentroof chamber
Only one out of four cylinders is
fueled !
0.4 l of displacement volume
CR 10.5
Original Spark Plug
Discharge time : 2 ms
1500 rpm
Peugeot 207’ engine
32
Piston bowl
Better aerodynamics
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19/05/2008 1
Set-up
23/04/2019
33
Tin = 50 ± 1 °C
[H2O], [NH3],
[NO], [NO2], [N2O]
@ 180 °C (wet)
FTIR
[O2], Paramagnetic
[H2], Thermal
conductivity analyser
@ 50°C, Dry gases
(1500 rpm : 22 kW
= 16 bar IMEP)
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19/05/2008 1
3 sets of operating conditions
34
First set :
P intake : 1 and 1.2 bar
H2 vol (%) : from 0 to 60
Equivalence ratio : 0.6 to 1.2
Optimized Spark Ignition Timing = Maximum IMPE, Minimum COV
Second set
P intake : 0.6 to 1.3 bar
H2 vol (%) : from 0 to 15 (12 % in mas, 2% in HAER)
Equivalence ratio : 0.9 to 1.1
Optimized Spark Ignition Timing = Maximum IMEP, Minimum COV
Third set
Similar to 2d one
Use LPG injector at the intake
More than 100 hundred points
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19/05/2008 1
IMEP and stability
35 Stable operation if COV<5%
Little effect of volumetric addition of H2 on the fuel energy content :
the low density of H2 compensates its high LHV
Maximum work obtained for 1<φ<1.1
Little and seemingly negative impact of H2 on the indicated work
with H2
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19/05/2008 1
36
SIT
40%
NH3
PRESSURE ANALYSIS
HRR with H2
BUT wall HRR also
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19/05/2008 1
IMEP vs Pintake
Key points :
- PURE NH3 only for Pintake >= 1 bar
- IMEP 9 bar = 11 kW
- Not real difference between IMEP with H2 or not
- Maximum work obtained for 1<φ<1.1
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19/05/2008 1
Flame speed and IMEP
23/04/2019
38
- Effect of H2 : ignition or/and combustion promoter ?
IMEPn = monotone f(LBV) at constant H2 as expected
So IGNITER Benefit
Ignition of lean mixture with low H2 :
Stretch sensitivity ?
Le_Fuel_O2 for 0.9 < F <1.1 ͌ 1 for 0 to 20% of H2
AT SPARK TIMING CONDITIONS
4<P<6 B
T 130-150 °C
F
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19/05/2008 1
NH3 Flame/Turbulence interaction
23/04/2019
39
- at spark timing conditions
F
Unique study
Stretch sensitivity / flame regime
In engine : u’ 1 – 1.5 m/s
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19/05/2008 1
Combustion Phase
Low burning velocity of NH3 -> longer initiation phase of the combustion
No significant impact of intake pressure on the combustion duration (0.6 bar …)
Total duration not so affected by H2
CA XX = X% for burned gases / fresh gases
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19/05/2008 1
NOx vs Padm
As with gasoline, NOx lower for higher ER
Pure NH3 = Similar level of NOx without H2
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19/05/2008 1
N2O Emissions
42
Key points :
Higher concentrations for lean mixtures
N2O >>>100 ppm
Less than 3% CO2 eq Global warming Potential (100 years)
High ammonia content in the fuel promote N2O formation
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19/05/2008 1
NH3
Key points :
High concentrations
Increase with the excess of NH3
As expected H2 increases decrease NH3
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19/05/2008 1
H2 << for 0.9 and 1
Less than 0,4% (on dried
exhaust gases …)
High level of H2
Similar to NH3 …
Why ?
H2
23/04/2019
44
5% H2
10% H2
15% H2
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19/05/2008 1
Why ?
NH3 measured <NH3 excess (no NH3 trapped in the crevice)
One part of NH3 decomposed in H2
H2
23/04/2019
45
15% H2
0% H2
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19/05/2008 1
Dissociation of On board Ammonia : possible ?
= f(T, P)
Ex : Temperature : 430 °C at atmospheric pressure
University of Gratz (2003)
DH = 46 kJ/mol
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19/05/2008 1
By considering conversion of NH3 (NH3_theo – NH3_meas.)
NH3 3/2 H2 + N
H2 theo..= H2 excess + H2 (NH3 conversion)
Pin = 1.3 b : H2 measurement below theoretical : partial
conversion
Pin > 1,3 b : H2 meas> H2 theo corrected
?
Uncomplete combustion ?
H2
23/04/2019
47
H2 0 %
H2 15%
H2 0%
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19/05/2008 1
Pin > 1,3 b : H2 meas> H2 theo corrected
?
Uncomplete combustion ?
Combustion efficiency = 1 – (fuel_exhaust-fuel_excess)/(fuel_intake-fuel_excess)
Emissions analysis
23/04/2019
48
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19/05/2008 1
Conclusion : PURE Ammonia
23/04/2019
49
YES !!!
PURE NH3 in commercial engine
WITHOUT IGNITION IMPROVEMENT (Or PROMOTER)
1500 rpm, 50°C intake Temperature, CR : 10.5
Cov IMEP <3%
Better IMEP for ER 1 -1.1
But NOT POSSIBLE AT PARTIAL
LOAD ?
PERHAP’S by INCREASing CR
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19/05/2008 1
Pure ammonia as fuel for SI engines
No studies on optimization of NH3 injection
Port-vapor fuel injection :
Displacement of the air supplied to the combustion chamber
Reduction of volumetric efficiency of the engine.
Direct-vapor fuel injection
Reduction of in-cylinder temperature (higher latent heat)
Liquid ammonia injection
better volumetric efficiency (no air displacement and intake
mixture cooling).
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19/05/2008 1
Pure ammonia as fuel for SI engines
Combustion questions :
Ammonia more suitable for lower engine speeds due to its low
flame speed ?
Limitation of PURe NH3 combustion ?
due to narrow flammability limits and low flame speed
Incomplete combustion ?
Real Misfire : ignition system ?
Kinetics modelling of NH3 combustion in engine conditions :
NH3 partial oxidation/conversion ?
How to ‘accelerate’ it ?
STRETCH EFFECT ?
One possible way to enhance mixing and thereby facilitate
combustion of ammonia :
Not increase the turbulence in the combustion chamber ?
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19/05/2008 1
Pure ammonia as fuel for SI engines
How to reduce NOX and NH3 emissions ?
EGR ?
With EGR :
- how is the combustion with N2
good for Nox ☺
But
Combustion ignition, development and stability with dilution ?
What the limit ?
NH3 + air
ER >>1
NH3 + H2
+ Nox +N2
+H20
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Quatrième niveau
Cinquième niveau
19/05/2008 1
Perhap’s actual SI engines filled with NH3
AN UTOPIA today
But TOMORROW ?
HYBRID Vehicle
All range powers from ICE
Needs of on board H2 converter
Or only electric motor charge
One partial load from ICE
No H2 ?
Future
23/04/2019
53
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Deuxième niveau
Troisième niveau
Quatrième niveau
Cinquième niveau
19/05/2008 1
Perhap’s actual SI engines filled with NH3
AN UTOPIA
But TOMORROW ?
HYBRID Vehicle
All range powers from ICE
Needs of on board H2 converter
Or only electric motor charge
One partial load from ICE
No H2 ?
At LEAST
LOCAL SOLUTIONs :
DUAL FUEL/FLEX FUEL
OR
23/04/2019
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NH3 transport
NH3 fuel