Estudio de simulación numérica de un motor de combustión interna alimentado con mezclas de combustible de amoníaco e hidrógeno

Abstract

[ES] En las últimas décadas la relevancia de los nuevos combustibles alternativos ha aumentado considerablemente como respuesta a los problemas del calentamiento global y las emisiones contaminantes. La comunidad científica tiene una gran responsabilidad para desarrollar soluciones y afrontar las imprescindibles normativas de restricción medioambiental. El amoniaco (NH_3) se considera en este contexto un posible combustible y vector energético que permitiría superar los problemas técnicos que plantea el uso de otros combustibles libres de carbono, como el hidrógeno (H_2), en los motores de combustión interna. Su alto contenido en hidrógeno por unidad de masa, su mayor densidad energética en comparación con el hidrógeno líquido, su infraestructura bien desarrollada y su experiencia en el manejo y almacenamiento lo convierten en una opción prometedora para una implementación a largo plazo. En el presente estudio, se ha desarrollado una metodología numérica para evaluar el impacto del uso de mezclas de amoníaco y amoniaco enriquecido con hidrógeno como combustible en motores de encendido por chispa. En esta, se ha empleado la combinación de simulaciones de un modelo virtual de motor monocilíndrico y policilíndrico, integrando un modelo cinético-químico y correlaciones empíricas para predecir la combustión. Adicionalmente, se han evaluado condiciones específicas para comprender y considerar los parámetros que gobiernan la combustión del amoníaco utilizando simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés). De este modo, ha sido posible identificar los principales desafíos para determinar la configuración correcta del motor. Finalmente, se ha evaluado el rendimiento del motor mediante la simulación de ciclos de conducción de homologación estándar empleando un modelo virtual de vehículo desarrollado. Esto ha permitido contrastar los resultados con otras configuraciones de propulsión alternativas y llevar a cabo análisis de ciclo de vida (ACV) para comparar las emisiones globales con las derivadas de otras tecnologías de combustión en el contexto de la industria automotriz europea.

[EN] In recent decades, the importance of new alternative fuels has increased significantly as a response to the problems of global warming and pollutant emissions. The scientific community must come up with solutions to evaluate the essential environmental restriction regulations. Ammonia (NH_3) is considered in this context as a prospective fuel and energy source that might be able to get over the technical issues of using other carbon-free fuels like hydrogen (H_2) in internal combustion engines. Its high hydrogen content per unit mass, higher energy density than liquid hydrogen, well-developed infrastructure and experience in handling and storage make it suitable to be implemented as a long-term solution In the present study, a numerical methodology has been developed to evaluate the impact of using ammonia and hydrogen-enriched ammonia mixtures as fuel in spark ignition engines. This methodology combines simulations of a virtual model of a single-cylinder and a poly-cylinder engine, integrating a kinetic-chemical model and empirical correlations to predict combustion. In addition, specific conditions have been evaluated to understand and consider the parameters governing ammonia combustion using computational fluid dynamics (CFD) simulations. Thus, the primary obstacles to determining the appropriate engine setup have been identified. Finally, the engine performance has been evaluated by simulating standard homologation driving cycles using the developed poly-cylinder engine virtual model. The results were compared with other alternative propulsion configurations and life cycle analysis (LCA) was carried out to assess the overall emissions against conventional combustion and electric technologies in the context of the European automotive industry.