Développement de la technique « Laser-Induced ...

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Deuxième niveau

Troisième niveau

Quatrième niveau

Cinquième niveau

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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Deuxième niveau

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Quatrième niveau

Cinquième niveau

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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Deuxième niveau

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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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Cinquième niveau

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


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 !


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 ?


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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Deuxième niveau

Troisième niveau

Quatrième niveau

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19/05/2008 1

First on-board H2 generator from ammonia

dissociation


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Deuxième niveau

Troisième niveau

Quatrième niveau

Cinquième niveau

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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Troisième niveau

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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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Cinquième niveau

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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Quatrième niveau

Cinquième niveau

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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Quatrième niveau

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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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Cinquième niveau

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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Troisième niveau

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Cinquième niveau

19/05/2008 1


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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Deuxième niveau

Troisième niveau

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19/05/2008 1


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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Deuxième niveau

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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

54

NH3 transport

NH3 fuel

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