Ammonia Spray Characterization
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3088966Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Det er et økende fokus på å få ned klimautslipp, og et ønske om å minske forurensning knyttet til transport og forbrenning. Dette har gjort ammoniakk til et potensielt lovende karbonfritt drivstoff for forbrenningsmotoren, særlig innen skipsfart.
Per nå er det lite informasjon hvordan ammoniakk oppfører seg i forbrenningsmotoren, spesielt oppførselen ut av injektoren. Det er forventet en høyere grad av kavitasjon gjennom injektoren grunnet ammoniakks høye fordampningstrykk, som videre er forventet å påvirke spray-oppførselen og mengden masse injisert. For å optimalisere motorytelsen er det av interesse å undersøke strømningen av ammoniakk ut av injektoren, hvor det for øyeblikket er lite eksperimentelle data.
Denne masteroppgaven er en del av en større studie hvor formålet er å oppnå en bedre forståelse av egenskapene til flytende ammoniakk-spray, hvor eksperimentelle resultater skal støtte opp numeriske simuleringer. I dette eksperimentelle arbeidet har egenskapene til ammoniakk blitt undersøkt i et høytrykkskammer, hvor ammoniakk har blitt testet under ulike kammertrykk og injeksjonstrykk. En kraftsensor, vekt og høyhastighets-kamera har blitt benyttet under forsøkene. Sprayens kraft, moment, hvor mye masse som injiseres, massefluks, sprayform, spraylengde, sprayens hastighet og vinkel er egenskaper som har blitt undersøkt.
Resultater fra denne oppgaven viser at et økende kammertrykk fra 2 bar til 20 bar gir en lavere Cd (Discharge coefficient) fra 0.56 til 0.51, ved et injeksjonstrykk på 200 bar. Det er også vist en sammenheng mellom spraylengde og kammertrykk, hvor et høyere kammertrykk gir en lavere hastighet av sprayen. Sprayens oppførsel ble også påvirket av fenomenet flash boiling, hvor spray-formen ble betydelig påvirket av lavere kammertrykk. Increasing awareness of the consequences of pollution and a desire to decarbonise internal combustion engines (ICE) have made ammonia a fuel of interest for the shipping industry. To optimize the ICE performance, it is necessary to investigate the behaviour of ammonia out of the injector. Due to the high vapour pressure of ammonia compared to carbon-based fuels, an increased tendency of cavitation in the injector nozzle is expected [1]. Cavitation is predicted to limit the injected mass of ammonia and give ammonia a different spray behaviour out of the injector. To this date, there is little experimental data on this subject, and further investigation into fuel characterisation is needed.
This master thesis is part of a larger study where the main objective is to develop a deeper understanding of the characteristics of liquid ammonia sprays, with the experimental investigation to support numerical simulations. In this thesis, the spray characteristics of ammonia through a Gasoline Direct Injection (GDI) injector into a high-pressure chamber filled with nitrogen were investigated.
The momentum flux, injected ammonia mass, instantaneous mass flow, discharge coefficient, spray angle, spray penetration length and spray penetration velocity have been measured and examined. The momentum flux was obtained using a force transducer, and the injected mass was found by including a weight in the ammonia fuel system. From the results obtained, an increase in ambient pressure from 2 bar to 20 bar resulted in a decrease in the discharge coefficient from 0.56 to 0.51 for an injection pressure of 200 bar. The spray behaviour out of the injector was captured using the shadowgraph imaging technique. The spray penetration length and velocity were found to be highly dependent on the chamber pressure, with an increasing ambient density resulting in a lower spray penetration velocity. The flash boiling conditions also influenced the spray behaviour, where at flare flashing conditions, the shape of the spray changed significantly. The angle of the ammonia spray out of the injector was found to be dependent on the flash boiling conditions.