Comparison of Ammonia High-Pressure Direct Injection and Ammonia Port-Fuel-Injection

Ammoniak gilt als vielversprechender kohlenstofffreier Kraftstoff für die Dekarbonisierung des Seeverkehrs. Während sich die meisten Forschungsarbeiten auf die Seeschifffahrt konzentrieren, gewinnt seine Anwendung im Binnenschiffsverkehr zunehmend an Bedeutung, insbesondere da grünes Ammoniak voraussichtlich mit Seeschiffen importiert und regional verteilt werden wird. Im Rahmen der CAMPFIRE-Allianz wird ein Antriebssystem für Binnenschiffe entwickelt, das mit erneuerbarem Ammoniak betrieben wird. Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung und Bewertung effizienter Ammoniakverbrennungsstrategien in Ottomotoren. ... mehrUm geeignete Verbrennungskonzepte zu untersuchen, wurden am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Versuche an einem Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt, der die Geometrie eines zukünftigen Marine-Vollmotors repräsentiert. Diese Studie konzentriert sich auf den Vergleich von Konzepten zur Ammoniak-Saugrohreinspritzung (PFI) und Ammoniak-Direkteinspritzung (DI) mit Wasserstoff als Zusatzkraftstoff. Die Verbrennungskonzepte wurden systematisch hinsichtlich des erreichbaren energetischen Ammoniakanteils, der Verbrennungsstabilität, des Zündverhaltens, des Wirkungsgrads und der Emissionseigenschaften bewertet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die direkte Ammoniak-Einspritzung den stabilen Betriebsbereich deutlich in Richtung höherer Ammoniakanteile unter magereren Betriebsbedingungen verbessert. Das DI-Konzept zeigte im Vergleich zum PFI-Betrieb durchweg eine geringeren Brennverzug und eine verbesserte Verbrennungsstabilität. Dieses Verhalten wird auf die lokal verbesserte Reaktivität des Gemisches in der Nähe der Zündkerze zurückgeführt, die durch die bevorzugte Verfügbarkeit von Wasserstoff verursacht wird und eine zuverlässige Flammenkernbildung fördert. Während DI aufgrund der nachfolgenden Verbrennung ammoniakreicher Zonen insgesamt längere Verbrennungszeiten aufwies, führte die verbesserte frühe Verbrennungsphase zu einer gleichmäßigen Wärmefreisetzung und einem robusten Motorbetrieb. Die Effizienz und die Emissionswerte beider Konzepte erwiesen sich über weite Betriebsbereiche als vergleichbar.
Darüber hinaus ermöglicht das DI-Konzept den Betrieb mit höheren Wasserstoffanteilen ohne Klopfen, was auf eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in der Gemischzusammensetzung und eine verbesserte Brennverfahrensrobustheit hindeutet. Die Ergebnisse unterstreichen die Ammoniak-Direkteinspritzung als vielversprechende Verbrennungsstrategie für zukünftige mit Ammoniak betriebene Schiffsmotoren.

Ammonia is considered a promising carbon-free fuel for the decarbonization of maritime transport. While most research focuses on ocean shipping, its application in inland waterway transport is gaining importance, particularly as green ammonia is expected to be imported via sea-going vessels and distributed regionally. Within the CAMPFIRE alliance, a propulsion system for inland waterway vessels fueled by renewable ammonia is being developed. A key component of this work is the development and evaluation of efficient ammonia combustion strategies in spark-ignited engines. ... mehrTo investigate suitable combustion concepts, experiments were conducted on a single-cylinder research engine at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), representing the geometry of a future multi-cylinder marine engine. This study focuses on the comparison of ammonia port fuel injection (PFI) and ammonia high pressure direct injection (DI) concepts supported by hydrogen co-fueling. The combustion concepts were systematically evaluated with respect to achievable energetic ammonia share, combustion stability, ignition behavior, efficiency, and emission characteristics.
The results demonstrate that ammonia direct injection significantly improves the stable operating range towards higher energetic ammonia shares in leaner operating conditions. The DI concept showed consistently lower ignition delay and improved combustion stability compared to PFI operation. This behavior is attributed to locally enhanced mixture reactivity near the spark plug caused by preferential hydrogen availability, which promotes reliable flame kernel formation. While DI exhibited longer overall combustion durations due to the subsequent combustion of ammonia-rich zones, the improved early combustion phase resulted in stable heat release and robust engine operation. Efficiency and emission levels of both concepts were found to be comparable over wide operating ranges. Furthermore, the DI concept allows operation with higher hydrogen fractions without inducing knocking, indicating reduced sensitivity to mixture composition fluctuations and improved operational robustness. This is particularly beneficial in ammonia-based fuel systems, where hydrogen is supplied by a cracker and temporary variations in hydrogen yield can occur, as it enhances tolerance to such fluctuations and prevents knock under dynamic operating conditions. The findings highlight ammonia direct injection as a highly promising combustion strategy for future ammonia-fueled marine engines. An outlook is given on the transfer of the combustion concept to a containerized multicylinder-engine demonstrator currently under development.