Моделирование рабочего процесса газодизеля, работающего на аммиаке с добавкой водорода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Аммиак, как безуглеродное топливо, привлекает большое внимание исследователей разных стран и считается одним из перспективных альтернативных топлив, обеспечивающих сокращение выбросов парниковых газов. Несмотря на то, что свойства аммиака широко изучены, практическое применение этого вида топлива остаётся затруднительным. Необходимы дополнительные исследования для преодоления проблем, включая низкую скорость горения, высокий выброс оксидов азота и несгоревшего аммиака. Для стимулирования процесса сгорания в цилиндре в качестве активатора горения аммиачно-воздушной смеси возможно использовать добавку водорода. Данная статья направлена на расчётное исследование влияния замещения дизельного топлива аммиаком на характеристики и вредные выбросы двигателя внутреннего сгорания.

Цель работы — расчётное исследование рабочего процесса и вредных выбросов с отработавшими газами автотракторного газодизеля при работе на аммиаке с добавкой водорода.

Методы. В качестве объекта исследования выбран современный автотракторный дизельный двигатель ЯМЗ-53415. Расчёты проводились для номинального режима работы двигателя.

Для трёхмерного моделирования рабочего процесса газодизельного двигателя, работающего на аммиаке с добавкой водорода, использовался программный комплекс Ansys Forte, который разработан на основе современных теоретических представлений о физике трёхмерных потоков газа и жидкости, динамике распыления топлива и процессах сгорания.

Результаты и обсуждение. Расчет рабочего процесса газодизеля, работающего на аммиаке с различной запальной дозой дизельного топлива, показал, что при уменьшении дозы дизельного топлива со 100% до 5% сохраняется мощность и кпд двигателя, максимальное давление в цилиндре снижается на 26%, выбросы оксидов азота и количество несгоревшего аммиака увеличиваются. Расчет рабочего процесса газодизеля, работающего на аммиаке с добавкой водорода, позволил определить минимальную добавку водорода, обеспечивающую полное сгорание аммиака.

Заключение. Работа газодизеля на аммиаке приводит к значительному снижению выбросов углекислого газа, более чем на порядок, т. е. аммиак может стать альтернативой углеводородному топливу для достижения углеродной нейтральности.

Применение небольшой добавки водорода — 0,4% позволяет значительно увеличить скорость сгорания аммиачно-воздушной смеси и обеспечивает практически полное сгорание аммиака.

Выбросы оксидов азота при замещении дизельного топлива аммиаком увеличиваются более чем в два раза. Для их снижения необходимо использовать известные способы — рециркуляцию отработавших газов, SCR-нейтрализатор.

Об авторах

Юрий Виталиевич Галышев

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Автор, ответственный за переписку.
Email: galyshev57@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7915-0623
SPIN-код: 8258-1827

д-р техн. наук, профессор Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики

Россия, Санкт-Петербург

Ло Синьяо

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: losinyao181031@gmail.com
ORCID iD: 0009-0005-2815-7231

аспирант Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики

Россия, Санкт-Петербург

Олег Витальевич Абызов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: oleg.abyzov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9898-4279
SPIN-код: 3068-4970

канд. техн. наук, доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики

Россия, Санкт-Петербург

Алексей Борисович Зайцев

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: abzaytsev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7443-1909
SPIN-код: 8443-3030

канд. техн. наук, доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Fadhil Y Al-Aboosi, Mahmoud M El-Halwagi, Margaux Moore, et al. Renewable ammonia as an alternative fuel for the shipping industry. Current Opinion in Chemical Engineering. 2021;31. doi: 10.1016/j.coche.2021.100670
  2. Nadimi E, Przybyła G, Lewandowski M T, et al. Effects of ammonia on combustion, emissions, and performance of the ammonia/diesel dual-fuel compression ignition engine. Journal of the Energy Institute. 2023;107. doi: 10.1016/j.joei.2022.101158
  3. Abyzov OV, Galyshev YV, Metelev AA, et al. Computational Study of Combustion and Emissions Characteristics in Ammonia-Powered Gas-Diesel Engine. In: Radionov AA, Gasiyarov VR. (eds) Proceedings of the 9th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2023. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer; 2023. doi: 10.1007/978-3-031-38126-3_34
  4. Abyzov OV, Galyshev YuV, Ivanov AK, et al. Modeling of the Indicator Process of the Automobile Gas Engine during its Operation with Ammonia. Engines Construction. 2023;1(291):64–69. (In Russ.) doi: 10.18698/jec.20231.64-69
  5. Abyzov OV, Galyshev YuV, Metelev AA. Study of the working process of a gas-diesel engine using ammonia as a main fuel. Turbines and Diesels. 2023;4(109):58–64. (In Russ.)
  6. Kuleshov AS, Kuleshov AA, Markov VA, et al. Computational Studies of Parameters of Working Process of Diesel Engine with Ammonia Additives in the Intake System. Engines Construction. 2023;3(293):71–93. (In Russ.) doi: 10.18698/jec.2023.3.71-93
  7. Sa Bowen, Liu Ying, Markov VA, et al. Combustion Process Characteristics and Ecological Indicators of the Two-Fuel Diesel Engine Running on Ammonia. Engines Construction. 2023;4(294):73–87. (In Russ.) doi: 10.18698/jec.2023.4.73-87
  8. Solutions MAN Energy. MAN B&W two-stroke engine operating on ammonia. 2021. Accessed: 17.08.2024. Available from: www.man-es.com.
  9. Reiter AJ, Kong SC. Combustion and emissions characteristics of compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel. Fuel. 2011;90(1):87–97. doi: 10.1016/j.fuel.2010.07.055
  10. Li J, Lai S, Chen D, et al. A review on combustion characteristics of ammonia as a carbon-free fuel. Frontiers in Energy Research. 2021;9. doi: 10.3389/fenrg.2021.760356
  11. Karagöz Y, Sandalcı T, Yüksek L, et al. Effect of hydrogen–diesel dual-fuel usage on performance, emissions and diesel combustion in diesel engines. Advances in Mechanical Engineering. 2016;8(8). doi: 10.1177/1687814016664458
  12. Nag S, Dhar A, Gupta A. Hydrogen-diesel co-combustion characteristics, vibro-acoustics and unregulated emissions in EGR assisted dual fuel engine. Fuel. 2022;307. doi: 10.1016/j.fuel.2021.121925
  13. Verhelst S, Wallner T. Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in energy and combustion science. 2009;35(6):490–527. doi: 10.1016/j.pecs.2009.08.001
  14. Castro N, Toledo M, Amador G. An experimental investigation of the performance and emissions of a hydrogen-diesel dual fuel compression ignition internal combustion engine. Applied Thermal Engineering. 2019;156(6):660–667. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.04.078
  15. Dimitriou P, Kumar M, Tsujimura T, et al. Combustion and emission characteristics of a hydrogen-diesel dual-fuel engine. International journal of hydrogen energy. 2018;43(29):13605–13617. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.05.062.
  16. Szwaja S, Grab-Rogalinski K. Hydrogen combustion in a compression ignition diesel engine. International journal of hydrogen energy. 2009;34(10):4413–4421. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.03.020
  17. Wang B, Yang C, Wang H, et al. Effect of Diesel-Ignited Ammonia/Hydrogen mixture fuel combustion on engine combustion and emission performance. Fuel. 2023;331. doi: 10.2139/ssrn.4179242
  18. Leilei X, Chang Y, Treacy M, et al. A Skeletal Chemical Kinetic Mechanism for Ammonia/N-Heptane Combustion. Fuel. 2022;331(4). doi: 10.1016/j.fuel.2022.125830

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Разбивка расчётной области на элементы.

Скачать (364KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость давления и скорости тепловыделения в цилиндре газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке, при различных запальных дозах дизельного топлива:

Скачать (427KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость концентраций NOx и СО2 в отработавших газах газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке, от запальной дозы дизельного топлива.

Скачать (154KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость индикаторной мощности и индикаторного кпд газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке, от запальной дозы дизельного топлива.

Скачать (139KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость массовой доли остаточного аммиака в цилиндре газодизеля ЯМЗ-53415 в процессе сгорания от запальной дозы дизельного топлива:

Скачать (274KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость давления и скорости тепловыделения в цилиндре газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке с запальной дозой дизельного топлива и различными добавками водорода.

Скачать (216KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение температуры в цилиндре газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке с запальной дозой дизельного топлива 10% и различными добавками водорода:

Скачать (194KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость индикаторного кпд (a) и концентраций NOx и NH3 (b) в отработавших газах газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке с запальной дозой дизельного топлива 10%, от добавки водорода.

Скачать (266KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость массовой доли остаточного аммиака в цилиндре газодизеля ЯМЗ-53415, работающего на аммиаке с запальной дозой дизельного топлива 10%, от добавки водорода:

Скачать (143KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».