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14/03/24-FR-English-NL-footere

Des moteurs alimentés à l’ammoniac pour des transports plus propres

Image- Sophia University

En optimisant les conditions de mélange air-carburant pour une combustion efficace de l'ammoniac, l'étude nous rapproche de véhicules viables alimentés à l'ammoniac.

L’utilisation de l’ammoniac comme carburant répond aux défis liés au stockage et au transport de l’hydrogène. Cependant, l’ammoniac est un combustible difficile à brûler efficacement. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Sophia ont exploré les conditions d’ouverture des orifices d’admission qui conduisent à un écoulement tourbillonnant dans les moteurs. Ils améliorent le mélange de l'air et du carburant pour une combustion plus efficace. Les résultats pourraient ouvrir la voie à des véhicules fonctionnant à l’ammoniac, soutenant ainsi l’objectif de développement durable de l’ONU pour une énergie propre et durable.

Alors que le secteur des transports a connu une évolution radicale vers les véhicules électriques (VE), l’idée d’utiliser l’hydrogène comme carburant propre et efficace pour les transports est explorée depuis de nombreuses décennies. Ces véhicules émettent de l'eau lors de leur combustion et, comme ils sont basés sur la production de véhicules à moteur existants, ils devraient avoir une empreinte carbone de fabrication inférieure à celle des véhicules électriques. Cependant, le stockage et le transport de l’hydrogène nécessitent des pressions élevées et des températures basses, qui sont des processus énergivores. Pour résoudre ce problème, l’ammoniac a été considéré comme un vecteur potentiel d’hydrogène pour les piles à combustible ou les moteurs à combustion. Mais l’ammoniac est un carburant difficile à brûler et doit être mélangé à de l’essence pour une combustion efficace.

Depuis 2019, le professeur Mitsuhisa Ichiyanagi du Département d'ingénierie et des sciences appliquées de la Faculté des sciences et technologies de l'Université de Sophia, avec Emir Yilmaz et Takashi Suzuki, également de l'Université de Sophia, travaillent à la conception de moteurs dans lesquels l'ammoniac peut être utilisé comme un carburant autonome. Leurs travaux se concentrent sur les conditions d'ouverture des orifices d'admission qui améliorent le mélange de l'air avec le carburant à l'intérieur du cylindre du moteur pour une combustion plus efficace. Dans une étude publiée dans la revue Energies le 17 décembre 2023, les chercheurs déterminent les conditions d'ouverture des conduits d'admission qui conduiraient à des conditions d'écoulement tourbillonnant au sein du cylindre d'un moteur.

"Le flux d'air dans les cylindres affecte profondément la combustion et les émissions en influençant le phénomène de mélange air-carburant", explique le professeur Ichiyanagi. "Dans le but de brûler uniquement de l'ammoniac, nous avons essentiellement étudié la relation entre le système d'admission du moteur et le débit à l'intérieur des cylindres."

Des moteurs alimentés à l’ammoniac pour des transports plus propres

Le flux tourbillonnant fait référence à un modèle de mélange air-carburant en forme de vortex entrant dans le cylindre du moteur. Ceci est avantageux car cela favorise un meilleur mélange de l’air et du carburant, créant ainsi un mélange plus homogène, conduisant à une combustion améliorée et à une réduction des émissions. Les chercheurs ont mené leur enquête sur un moteur diesel monocylindre optique doté d’un cylindre et d’un piston en verre. Pour l'admission d'air, le moteur utilisait des orifices d'admission tangentiels et hélicoïdaux conventionnels.

Pour visualiser les flux d'air dans le moteur, les chercheurs ont introduit des particules de silice d'un diamètre de 4,65 µm comme traceurs pendant la course d'admission et ont surveillé leur mouvement dans le moteur avec une caméra CMOS haute vitesse. L'air entrant par l'orifice hélicoïdal se développe en motifs tourbillonnants, tandis que l'air provenant de l'orifice tangentiel ne produit initialement aucune structure tourbillonnaire. Cependant, lorsqu’il est redirigé vers les parois du cylindre, il finit par générer des structures tourbillonnantes.

Dans leurs expériences antérieures, les chercheurs ont observé que la vitesse du flux d’air restait relativement constante à travers diverses ouvertures hélicoïdales. Ainsi, en laissant l'orifice hélicoïdal complètement ouvert, ils ont fait varier l'ouverture de l'orifice tangentiel à 0 %, 25 %, 50 %, 75 % et 100 % pour déterminer son effet sur les débits d'admission et dans le cylindre pendant les courses d'admission et de compression. .

Les chercheurs ont noté la génération réussie d'écoulements tourbillonnaires au début de la course de compression, lorsque l'ouverture du port tangentiel était supérieure à 25 %. Il a été observé que la formation d'écoulements tourbillonnaires était en corrélation avec de faibles variations de l'énergie cinétique turbulente pendant la course d'admission et de faibles variations de la position centrale du tourbillon pendant la course de compression. L’observation des écoulements tourbillonnaires dans le cylindre ouvre la porte à une combustion efficace de l’ammoniac dans le moteur. Les chercheurs ont l’intention d’appliquer les résultats de cette étude pour étudier les caractéristiques de combustion d’un mélange ammoniac-essence ou uniquement d’ammoniac dans le moteur.

Tirée principalement par les véhicules électriques, la demande de lithium devrait dépasser 2,4 millions de tonnes d'ici les années 2030, soit une augmentation significative par rapport aux 130 000 tonnes produites en 2022. Selon l'Agence internationale de l'énergie, cela pourrait entraîner des pénuries potentielles de lithium dès 2025. Dans une telle situation, l’ammoniac apparaît comme un carburant alternatif propre et prometteur.

Même s’il reste des défis à relever avant que les véhicules fonctionnant à l’ammoniac ne deviennent une réalité, cette recherche est prometteuse pour atteindre les objectifs de décarbonation actuels et futurs. « Le développement de véhicules à moteur alimenté à l'ammoniac devrait non seulement réduire les émissions de dioxyde de carbone des moteurs, mais également contribuer à la réalisation d'une société énergétique basée sur l'hydrogène », déclare le professeur Ichiyanagi.
NJC.© Info Sophia University

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14/03/24-English

Ammonia-Powered Engines for Cleaner Transportation

Image- Sophia University

By optimizing air–fuel mixing conditions for efficient ammonia combustion, the study brings us closer to viable ammonia-fuelled vehicles

The use of ammonia as a fuel addresses challenges related to hydrogen storage and transport. However, ammonia is a challenging fuel to burn efficiently. Now, researchers at Sophia University have explored intake port opening conditions that lead to swirling flow in engines. They improve the mixing of air and fuel for more efficient combustion. The findings could pave the way for ammonia-fuelled vehicles, supporting the UN’s Sustainable Development Goal for clean and sustainable energy.

While the transportation sector has witnessed a dramatic shift toward electric vehicles (EVs), the idea of using hydrogen as a clean and efficient fuel for transportation has been explored for many decades. These vehicles emit water on combustion, and since they are based on the production of existing engine vehicles, they are expected to have a lower manufacturing carbon footprint than EVs. However, storing and transporting hydrogen requires high pressures and low temperatures, which are energy-intensive processes. To address this, ammonia has been considered as a potential carrier of hydrogen for fuel cells or combustion engines. But ammonia is a hard-to-burn fuel and requires mixing with gasoline for efficient combustion.

Since 2019, Professor Mitsuhisa Ichiyanagi from the Department of Engineering and Applied Sciences at the Faculty of Science and Technology at Sophia University, along with Emir Yilmaz and Takashi Suzuki, also from Sophia University, has been working to design engines where ammonia can be used as a standalone fuel. Their work focuses on intake port opening conditions that enhance the mixing of air with fuel inside the engine cylinder for a more efficient combustion. In a study published in the journal Energies on 17 December 2023, the researchers determine intake port opening conditions that would lead to swirling flow conditions within the cylinder of an engine.

“Airflow within cylinders profoundly affects combustion and emissions by influencing the air–fuel mixing phenomenon,” says Prof. Ichiyanagi. “With the aim of burning only ammonia, we have basically investigated the relationship between the engine’s intake system and the flow inside cylinders.”

Ammonia-Powered Engines for Cleaner Transportation

Swirling flow refers to a vortex-like pattern of air–fuel mixture entering the engine’s cylinder. This is advantageous as it promotes better mixing of air and fuel, creating a more homogenous mixture, leading to improved combustion and reduced emissions. The researchers conducted their investigation in an optical single-cylinder diesel engine with a glass cylinder and piston. For air intake, the engine used conventional tangential and helical intake ports.

To visualize the air flows in the engine, the researchers introduced silica particles with diameters of 4.65 µm as tracers during the intake stroke and monitored their movement in the engine with a high-speed CMOS camera. Air entering through the helical port develops into swirling patterns, while air from the tangential port initially produces no vortical structure. However, when redirected by the cylinder walls, it eventually generates swirling structures.

In their earlier experiments, the researchers observed that airflow velocity remained relatively constant across various helical port openings. So, leaving the helical port completely open, they varied the opening of the tangential port to 0 %, 25%, 50%, 75%, and 100% to determine its effect on intake and in-cylinder flows during the intake and compression strokes.

The researchers noted the successful generation of swirl flows in the early stage of the compression stroke when the opening of the tangential port was more than 25%. The formation of swirl flows was observed to correlate with low variances of turbulent kinetic energy during the intake stroke and low variances of the swirl centre position during the compression stroke. The observation of swirl flows in the cylinder opens the door to efficient ammonia combustion in the engine. The researchers intend to apply the findings from this study to investigate the combustion characteristics of an ammonia–gasoline mixture or only ammonia in the engine.

Driven mostly by EVs, the demand for lithium is expected to exceed 2.4 million metric tons by the 2030s, a significant increase from the 130,000 metric tons produced in 2022. According to the International Energy Agency, this could lead to potential lithium shortages as early as 2025. In such a situation, ammonia emerges as a promising alternative clean fuel.

Although there are challenges to overcome before ammonia-fuelled vehicles become a reality, this research holds promise for achieving current and future decarbonization goals. “The development of ammonia-fuelled engine vehicles is expected to not only reduce carbon dioxide emissions from engines but also contribute to realizing a hydrogen energy society,” says Prof. Ichiyanagi.
NJC.© Info Sophia University

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14/03/24-NL

Door ammoniak aangedreven motoren voor schoner transport

Image- Sophia University

Door de lucht-brandstofmengomstandigheden te optimaliseren voor een efficiënte verbranding van ammoniak, brengt het onderzoek ons dichter bij levensvatbare voertuigen op ammoniak

Het gebruik van ammoniak als brandstof pakt uitdagingen aan die verband houden met de opslag en het transport van waterstof. Ammoniak is echter een lastige brandstof om efficiënt te verbranden. Nu hebben onderzoekers van de Sophia Universiteit de openingsomstandigheden van de inlaatpoort onderzocht die leiden tot wervelende stroming in motoren. Ze verbeteren de menging van lucht en brandstof voor een efficiëntere verbranding. De bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor voertuigen op ammoniak, ter ondersteuning van de Duurzame Ontwikkelingsdoelstelling van de VN voor schone en duurzame energie.

Hoewel de transportsector getuige is geweest van een dramatische verschuiving naar elektrische voertuigen (EV’s), wordt het idee om waterstof te gebruiken als schone en efficiënte brandstof voor transport al tientallen jaren onderzocht. Deze voertuigen stoten water uit bij verbranding, en aangezien ze gebaseerd zijn op de productie van bestaande motorvoertuigen, wordt verwacht dat ze bij de productie een lagere CO2-voetafdruk zullen hebben dan elektrische voertuigen. Voor de opslag en het transport van waterstof zijn echter hoge drukken en lage temperaturen nodig, wat energie-intensieve processen zijn. Om dit aan te pakken wordt ammoniak beschouwd als een potentiële drager van waterstof voor brandstofcellen of verbrandingsmotoren. Maar ammoniak is een moeilijk te verbranden brandstof en moet met benzine worden gemengd voor een efficiënte verbranding.

Sinds 2019 werkt professor Mitsuhisa Ichiyanagi van de afdeling Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Wetenschappen van de Faculteit Wetenschappen en Technologie van Sophia University, samen met Emir Yilmaz en Takashi Suzuki, eveneens van Sophia University, aan het ontwerpen van motoren waarbij ammoniak kan worden gebruikt als een op zichzelf staande brandstof. Hun werk richt zich op de openingsomstandigheden van de inlaatpoort die de vermenging van lucht met brandstof in de motorcilinder verbeteren voor een efficiëntere verbranding. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Energies op 17 december 2023 bepalen de onderzoekers de openingsomstandigheden van de inlaatpoort die zouden leiden tot wervelende stromingsomstandigheden in de cilinder van een motor.

“De luchtstroom in cilinders heeft een diepgaande invloed op de verbranding en emissies door het fenomeen van lucht-brandstofmenging te beïnvloeden”, zegt prof. Ichiyanagi. “Omdat we alleen ammoniak willen verbranden, hebben we feitelijk de relatie onderzocht tussen het inlaatsysteem van de motor en de stroming in de cilinders.”

Door ammoniak aangedreven motoren voor schoner transport

Wervelende stroming verwijst naar een wervelachtig patroon van lucht-brandstofmengsel dat de cilinder van de motor binnendringt. Dit is voordelig omdat het een betere menging van lucht en brandstof bevordert, waardoor een homogener mengsel ontstaat, wat leidt tot een betere verbranding en verminderde emissies. De onderzoekers voerden hun onderzoek uit in een optische eencilinder dieselmotor met een glazen cilinder en zuiger. Voor de luchtinlaat gebruikte de motor conventionele tangentiële en spiraalvormige inlaatpoorten.

Om de luchtstromen in de motor in beeld te brengen, introduceerden de onderzoekers silicadeeltjes met een diameter van 4,65 µm als tracers tijdens de inlaatslag en volgden ze hun beweging in de motor met een snelle CMOS-camera. Lucht die via de spiraalvormige poort binnenkomt, ontwikkelt zich tot wervelende patronen, terwijl lucht uit de tangentiële poort aanvankelijk geen wervelende structuur produceert. Wanneer het echter door de cilinderwanden wordt omgeleid, ontstaan er uiteindelijk wervelende structuren.

In hun eerdere experimenten merkten de onderzoekers op dat de luchtstroomsnelheid relatief constant bleef over verschillende spiraalvormige poortopeningen. Dus lieten ze de spiraalvormige poort volledig open en varieerden ze de opening van de tangentiële poort naar 0%, 25%, 50%, 75% en 100% om het effect ervan op de inlaat- en cilinderstromen tijdens de inlaat- en compressieslagen te bepalen. .

De onderzoekers merkten de succesvolle generatie van wervelstromen op in het vroege stadium van de compressieslag, toen de opening van de tangentiële poort meer dan 25% bedroeg. Er werd waargenomen dat de vorming van wervelstromen correleerde met lage varianties van turbulente kinetische energie tijdens de inlaatslag en lage varianties van de wervelcentrumpositie tijdens de compressieslag. De observatie van wervelstromen in de cilinder opent de deur naar een efficiënte ammoniakverbranding in de motor. De onderzoekers zijn van plan de bevindingen uit dit onderzoek toe te passen om de verbrandingseigenschappen van een ammoniak-benzinemengsel of alleen ammoniak in de motor te onderzoeken.

De vraag naar lithium zal, vooral aangedreven door elektrische voertuigen, tegen 2030 naar verwachting de 2,4 miljoen ton overschrijden, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de 130.000 ton geproduceerd in 2022. Volgens het Internationaal Energieagentschap zou dit al in 2022 tot potentiële lithiumtekorten kunnen leiden. 2025. In een dergelijke situatie komt ammoniak naar voren als een veelbelovend alternatief, schone brandstof.

Hoewel er uitdagingen moeten worden overwonnen voordat voertuigen op ammoniak werkelijkheid worden, is dit onderzoek veelbelovend voor het bereiken van de huidige en toekomstige doelstellingen op het gebied van decarbonisatie. “De ontwikkeling van voertuigen met ammoniakmotoren zal naar verwachting niet alleen de kooldioxide-uitstoot van motoren verminderen, maar ook bijdragen aan het realiseren van een samenleving op waterstofenergie”, zegt prof. Ichiyanagi.
NJC.© Info Sophia University

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