From Challenging Fuel to Future Energy Carrier: Ammonia in Combustion Process Development

Ammoniak (NH3) wird als vielversprechender kohlenstofffreier Kraftstoff für die Dekarbonisierung
der Binnenschifffahrt diskutiert. Im Rahmen der CAMPFIRE-Allianz wird
hierfür ein CO2-neutrales Antriebskonzept auf Basis einer Ammoniak-betriebenen Cracker-
Motor-Einheit in Kombination mit einem hybridelektrischen Antrieb entwickelt. In
diesem Beitrag werden zwei wesentliche Entwicklungsschritte vorgestellt: (i) ein funkengezündetes
ottomotorisches Brennverfahren, das mittels Hochenergiezündung einen
Betrieb mit 100 % flüssigem Ammoniak über den gesamten Lastbereich ermöglicht,
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und (ii) die Untersuchung eines weiterentwickelten, hochperformanten Brennverfahrens
mit Hochdruck-Ammoniak-Direkteinspritzung (NH3-DI-H2) im Vergleich zu einem
konventionelleren Konzept mit Ammoniak-Saugrohreinspritzung (NH3-PFI-H2)
auf einem Einzylinderforschungsmotor.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit einem kapazitiven Hochenergiezündsystem ein stabiler
100-%-NH􀎎-PFI-Betrieb über das gesamte Lastkennfeld möglich ist. Bei Volllast
(22 bar IMEP) wird ein indizierter Wirkungsgrad von etwa 51 % erreicht. Bei niedrigen
Lasten sind längere Zünddauern erforderlich, um die Verbrennung zu stabilisieren und
NH3-Schlupf sowie N2O-Emissionen zu begrenzen.
Der Vergleich von NH3-PFI-H2 und NH3-DI-H2 bei hohem Ammoniakanteil zeigt, dass
die Direkteinspritzung – als nächster Entwicklungsschritt hin zu einem hochperformanten
Ammoniak-Ottobrennverfahren – die Verbrennungsstabilität im mageren Betrieb
deutlich verbessert und den stabilen Bereich zu höheren Ammoniakanteilen erweitert,
bei ähnlicher Effizienz und Emissionen.

Ammonia (NH􀎎) is a promising carbon-free fuel for the decarbonization of inland waterway
transport. Within the CAMPFIRE alliance, a CO􀎍-neutral propulsion system
based on an ammonia-fuelled cracker–engine unit combined with a hybrid-electric
drivetrain is being developed for an inland vessel demonstrator. This paper presents
two key steps towards a robust, CO􀎍-free spark-ignition combustion concept: (i) the
development of a combustion strategy enabling 100 % liquid ammonia operation over
the full engine load range using port fuel injection (NH􀎎-PFI) and a high-energy ignition
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(HEI) system, and (ii) the investigation of a more advanced, high-performance combustion
concept based on high-pressure ammonia direct injection with hydrogen ignition
promoter (NH􀎎-DI-H􀎍), in comparative assessment with NH􀎎-PFI-H􀎍, on a single-
cylinder research engine representative of a future multi-cylinder marine engine.
Experiments were conducted at 1500 rpm on a modified Liebherr D966-based single-
cylinder engine, using liquid ammonia PFI at 20 bar or DI at 300 bar, combined with
port-injected hydrogen as ignition promoter. With the capacitive high-energy ignition
system and NH􀎎-PFI, stable spark-ignited combustion with a 100 % energetic ammonia
share was achieved across the entire load range from 3 to 22 bar IMEP, with indicated
efficiencies of up to 51 % at full load and comparable performance for both 100 % NH􀎎
and NH􀎎/H􀎍 mixtures. At low loads, extended spark duration was required to maintain
combustion stability and to mitigate high NH􀎎 slip and increased N􀎍O formation.
In a second step, the NH􀎎-PFI-H􀎍 and NH􀎎-DI-H􀎍 concepts were compared at 17 bar
IMEP for varying excess air ratio λ. In this comparison, the DI concept showed significantly
reduced coefficient of variation of IMEP (CoVIMEP) and shorter ignition delay over
a wide λ range, while maintaining similar indicated efficiencies and emission levels
compared to PFI. The improved robustness is attributed to stratified mixture formation,
with hydrogen preferentially transported towards the spark plug and directly injected
ammonia penetrating deeper into the combustion chamber. Despite slightly longer
overall combustion duration due to gradual burning of ammonia-rich zones, the DI concept
extended the stable operating range towards leaner conditions and higher ammonia
shares, demonstrating its potential as a high-performance combustion strategy for
ammonia-fueled marine engines.