Potential of ammonia as fuel additive with ethanol fueled Spark-Ignition engine
Potentiel de l'ammoniac comme additif à l'éthanol pour les moteurs à allumage commandé
Résumé
Decarbonization of all forms of energy is urgent to mitigate climate change. Ammonia produced from renewable energies is not only an energy vector but also a potential carbon-free fuel in its structure for all thermal applications (gas turbine, ovens, and engines). Its less reactive combustion than traditional fuels can be improved with the addition of a more reactive and carbon neutral fuel, such as hydrogen, and biofuels, such as bio-ethanol. The objective of this thesis work is therefore to evaluate the potential of ammonia/ethanol mixtures from the injection and combustion process to the efficiency and pollutant emitted in the case of a spark ignition engine. A first part is devoted to the thermodynamics of mixtures of ammonia and ethanol. It has been shown that these two molecules, which are completely miscible with each other, can be injected in liquid form and mixed in the combustion chamber. The characterization of the liquid spray, in the second part, made it possible to highlight their radically different morphology from sprays of pure ethanol, and of gasoline as a reference. The strong vaporization of ammonia causes a very strong drop in temperature (down to -40/-60°C) which makes the spray thinner and longer. This very different geometry affects the local air/fuel mixture in the combustion chamber, affecting the process of initiation and development of combustion and the formation of pollutants. Laminar flame speed is one of the key fundamental parameters for thermal applications and simulations. It was characterized in a third part for the different mixtures. A small addition of ethanol greatly improves combustion, comparisons with current kinetic mechanisms have also been carried out in order to show the various research still necessary. The last part was devoted to the engine application: good performance and stability of these mixtures was obtained, making these mixtures good candidates for decarbonizing transport and electricity production by generator. Measurements of exhaust pollutant emissions have shown that adding ethanol to ammonia makes it possible to limit the release of unburned ammonia as well as N2O, a gas with a strong impact on global warming. However, NOx and CO emissions do not evolve monotonically with the addition of ethanol and a maximum was obtained around 50/50, showing the limit of these mixtures.
La décarbonisation de toute forme d'énergie est urgente pour lutter contre le changement climatique. L'ammoniac produit à partir d'énergies renouvelables, est non seulement un vecteur d'énergie mais aussi un carburant potentiel sans carbone dans sa structure pour toutes applications thermiques (turbine à gaz, fours, et moteurs). Sa combustion moins réactive que les carburants traditionnels peut-être améliorée avec l'ajout d'un carburant plus réactif et neutre en carbone, tel que l'hydrogène, et les bio-carburants, comme le bio-éthanol. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'évaluer le potentiel des mélanges ammoniac/éthanol depuis le processus d'injection et de combustion jusqu'à l'efficacité et aux polluants émis dans le cas d'un moteur à allumage commandé. Une première partie est consacrée à la thermodynamique des mélanges d'ammoniac et d'éthanol. Il a pu être montré que ces deux molécules, totalement miscibles entre elles, peuvent être injectées sous forme liquide, mélangées dans la chambre à combustion. La caractérisation du spray liquide, en deuxième parti, a permis de mettre en évidence leur morphologie drastiquement différente des sprays d'éthanol pur, et d'essence comme référence. La forte vaporisation de l'ammoniac entraine une très forte chute de température (jusque -40/-60 °C) qui rend le spray plus fin et long. Cette géométrie si différente joue sur le mélange local air/carburant dans la chambre de combustion, affectant le processus d'initiation et de développement de la combustion et de formation des polluants. La vitesse de flamme laminaire est l'un paramètres fondamentaux clés pour les applications thermiques, et les simulations. Elle a été caractérisée dans une troisième partie pour les différents mélanges. Un faible ajout d'éthanol améliore fortement la combustion, des comparaisons avec mécanismes cinétiques actuelles ont aussi été réalisées afin de montrer les différentes voies de recherche encore nécessaires. La dernière partie a été consacrée à l'application moteur : une bonne performance et stabilité de ces mélanges a été obtenue, rendant ces mélanges de bons candidats pour décarboner le transport et la production d'électricité par groupe électrogène. Les mesures des émissions de polluants à l'échappement ont montré que l'ajout d'éthanol à l'ammoniac permet de limiter le rejet d'ammoniac imbrûlé ainsi que du N2O, gaz à fort impact sur le réchauffement climatique. Cependant, les émissions de NOx et de CO n'évoluent pas de manière monotone avec l'ajout d'éthanol et un maximum a été obtenu autour de 50/50, montrant la limite de ces mélanges.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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