Étude de l'effet de la température de l'air d'admission sur le CO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11649 (2023) Citer cet article

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Récemment, l’ammoniac (NH3), qui a une densité énergétique plus élevée que l’hydrogène, a attiré l’attention dans le cadre des objectifs de zéro émission de carbone dans le secteur des transports. Cependant, dans un moteur à combustion interne conventionnel (ICE), le mécanisme de combustion du NH3 est encore à l'étude. Dans cet article, pour élargir davantage les connaissances sur l’adoption du NH3 dans les moteurs à combustion interne, les auteurs ont mené des expériences de co-combustion NH3/essence dans un moteur CI à étincelles, à taux de compression modifié de 17,7 : 1, à aspiration naturelle et à sous-chambre. La sous-chambre a été choisie afin d'améliorer la vitesse de combustion du NH3. De plus, la sous-chambre était équipée de bougies de préchauffage et d'allumage pour surmonter la température élevée d'auto-inflammation du NH3. Les performances du moteur et les émissions de NOX ont été étudiées sous trois températures d'air d'admission différentes. Au cours des expériences, la teneur en NH3 a été augmentée progressivement lorsque le moteur fonctionnait dans des conditions pauvres. Bien qu’une teneur en NH3 plus élevée ait été obtenue par rapport à nos travaux précédents, l’augmentation de la température de l’air d’admission a entraîné une diminution de l’efficacité de la charge. De plus, de la corrosion a été constatée sur le segment de piston après 120 heures de fonctionnement, affectant négativement les performances du moteur. De plus, la durée de co-combustion NH3/essence a été considérablement réduite sous l'influence de la sous-chambre, où la durée de combustion la plus longue dans les conditions actuelles s'est avérée être de 17°CA.

En ce qui concerne les récentes nouvelles selon lesquelles l'Union européenne a modifié son plan initial d'élimination progressive des moteurs à combustion interne (ICE), les carburants non conventionnels (tels que l'ammoniac (NH3), l'hydrogène (H2), les carburants synthétiques (carburants électroniques), etc.) sont gagne en popularité dans la recherche sur les ICE. Il sera désormais possible de vendre de nouveaux véhicules ICE en Europe utilisant des carburants neutres en carbone1. Parmi ceux-ci, le NH3 est un candidat sérieux pour étendre davantage son utilisation dans diverses industries. Il peut être utilisé dans le stockage d’énergie en raison de sa forte teneur en hydrogène, ainsi que dans le secteur des transports comme carburant pour la production d’électricité2,3. Comme le montre sa structure, le NH3 ne contient aucun atome de carbone, dans lequel il n'y a pas d'émission de CO2, il est donc considéré comme un carburant sans carbone. Certains points importants qui doivent être abordés sont la toxicité et les émissions de NOX à des températures élevées dues à l'atome d'azote (N) disponible. Cependant, le système classique de réduction catalytique sélective (SCR) est capable de réduire considérablement les émissions de NOX si la température d'entrée du SCR est maintenue à 200 °C4.

Le tableau 1 présente diverses propriétés sélectionnées du NH3 et sa comparaison avec l'hydrogène et l'essence. Comparé à l’hydrogène, le NH3 a une densité énergétique volumétrique plus élevée, mais par rapport à l’essence, sa densité énergétique volumétrique est toujours inférieure d’environ 30 %. En outre, de nombreuses études sont en cours sur l'utilisation du H2 et du NH3 dans les ICE. Kim et coll. utilisé la méthode d’injection directe de H2 avec différents modes de formation de mélange5. De plus, étant donné que le NH3 a une vitesse de propagation de la flamme plus faible, une approche plus courante consistait à l'utiliser dans les moteurs marins ayant des régimes moteur plus faibles6. Afin d’utiliser le NH3 dans les véhicules de tourisme, où un régime moteur plus élevé est nécessaire, ses propriétés doivent être prises en compte. Comme le montre le tableau 1, le NH3 a un indice d'octane élevé et une chaleur latente de vaporisation élevée, ce qui permet son utilisation dans un moteur à taux de compression (CR) élevé. Conformément à ces connaissances, Pochet et al. a mené des études de combustion bicarburant ammoniac-hydrogène dans un moteur avec un CR de 15:17, 16:18, 22:19 en mode d'allumage par compression à charge homogène (HCCI). Lhuillier et coll. mené des expériences en utilisant des mélanges de NH3 et d'hydrogène dans un moteur à allumage commandé (SI) avec un CR de 10,510. Ils ont également montré que le phasage de la combustion est corrélé à la vitesse de combustion laminaire (LBV) du mélange dans des conditions de synchronisation SI. Dans une étude plus récente, Mounaim-Rousselle et al. réalisé des expériences sur un monocylindre ICE à allumage par compression assisté par étincelle (CI) avec un CR compris entre 14 et 17, fonctionnant au NH311 pur. Ils ont réussi à obtenir une combustion stable à faibles charges et à différents régimes moteur, prouvant que la méthode à CR élevé et à allumage commandé fonctionne bien pour le NH3 comme carburant.