Numerical study of Ammonia/Diesel combustion in Heavy-duty Internal combustion
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Date
2025
Authors
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Abstract
As demand for low-carbon alternatives in heavy-duty transport grows, ammonia becomes a suitable alternative which can be produced via renewable energies. This study investigates the application of ammonia-diesel dual-fuel combustion in a mining haul truck engine using CONVERGE CFD. Simulations were performed at various ammonia energy replacement (AER) ratios, from 0% to 70%, to determine impacts in emissions and performance. As expected, results indicate that an increase in AER reduces CO2 and NOx emissions across the board, by up to 71% and 97%, respectively. On the other hand, the increase in N2O emissions actually increases the total carbon-equivalent footprint of the engine in all AER levels, while NH3 emissions rise past safe levels from 40% AER onwards. Engine power, as measured by Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) increases slightly and reaches a maximum at 50% AER, after which it is reduced. Finally, the combustion event is delayed and lengthened, which can be attributed to the low burning velocity of ammonia. Strategies aimed at lowering N2O emissions such as exhaust gas recirculation or cylinder temperature control are proposed as methods that can further expand on the benefits of replacing fossil fuels with ammonia. Results are validated by comparing the 0% AER case with engine performance data, showing close agreement with engine performance, although differences remain in specific emissions levels. Nevertheless, since the step-by-step trends agree with what is observed in literature, they areassumed to be representative of reality, even if the specific values are not.
A medida que crece la demanda de combustibles libres de carbono en el transporte de carga pesada, el amoniaco se presenta como una alternativa adecuada que puede producirse a partir de energías renovables. Este estudio investiga la combustión dual de amoniaco diésel en un motor de camión de extracción minera, utilizando simulaciones en CONVERGE CFD. Se realizaron simulaciones a diferentes niveles de sustitución energética de amoniaco (AER, por sus siglas en inglés), desde 0% hasta 70%, para determinar el impacto en las emisiones y el rendimiento. Como era de esperar, los resultados indican que aumentar la AER reduce las emisiones de CO2 y NOx de manera incremental, hasta en un 71% y 97%, respectivamente. Por otro lado, el aumento en las emisiones de N2O incrementa la emisión total de carbono equivalente del motor en todos los niveles de AER, mientras que las emisiones de NH3 superan los niveles seguros a partir de un 40% de AER. La potencia del motor, medida como la Presión Media Efectiva Indicada (IMEP), aumenta ligeramente alcanzando un máximo con 50% de AER, tras lo cual disminuye. Finalmente, el evento de combustión se retrasa y se alarga, y se atribuye a la lenta velocidad de combustión del amoniaco. Se proponen estrategias como recirculación de gases de escape (EGR) o control de la temperatura en el cilindro como métodos parareducir las emisiones de N2O y maximizar los beneficios de reemplazar los combustibles fósiles con amoniaco. Los resultados se validan comparando el caso de 0% de AER con datos de rendimiento del motor, mostrando una buena correlación en la potencia, aunque con diferencias en los niveles específicos de emisiones. No obstante, dado que las tendencias paso a paso coinciden con lo observado en la literatura, se asume que representan la realidad, aunque los valores específicos no sean exactos.
A medida que crece la demanda de combustibles libres de carbono en el transporte de carga pesada, el amoniaco se presenta como una alternativa adecuada que puede producirse a partir de energías renovables. Este estudio investiga la combustión dual de amoniaco diésel en un motor de camión de extracción minera, utilizando simulaciones en CONVERGE CFD. Se realizaron simulaciones a diferentes niveles de sustitución energética de amoniaco (AER, por sus siglas en inglés), desde 0% hasta 70%, para determinar el impacto en las emisiones y el rendimiento. Como era de esperar, los resultados indican que aumentar la AER reduce las emisiones de CO2 y NOx de manera incremental, hasta en un 71% y 97%, respectivamente. Por otro lado, el aumento en las emisiones de N2O incrementa la emisión total de carbono equivalente del motor en todos los niveles de AER, mientras que las emisiones de NH3 superan los niveles seguros a partir de un 40% de AER. La potencia del motor, medida como la Presión Media Efectiva Indicada (IMEP), aumenta ligeramente alcanzando un máximo con 50% de AER, tras lo cual disminuye. Finalmente, el evento de combustión se retrasa y se alarga, y se atribuye a la lenta velocidad de combustión del amoniaco. Se proponen estrategias como recirculación de gases de escape (EGR) o control de la temperatura en el cilindro como métodos parareducir las emisiones de N2O y maximizar los beneficios de reemplazar los combustibles fósiles con amoniaco. Los resultados se validan comparando el caso de 0% de AER con datos de rendimiento del motor, mostrando una buena correlación en la potencia, aunque con diferencias en los niveles específicos de emisiones. No obstante, dado que las tendencias paso a paso coinciden con lo observado en la literatura, se asume que representan la realidad, aunque los valores específicos no sean exactos.
Description
Tesis (Master of Science in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2025
Keywords
Ammonia combustion, CFD, Dual-fuel engine, Ammonia engine