Experimental Investigation of Ammonia Combustion Using Port Fuel Injection (PFI) and Diesel Pilot Direct Injection in a 2.13-Liter Single-Cylinder Engine

Negli ultimi anni, a causa dei cambiamenti climatici, le normative sulle emissioni di gas serra sono diventate sempre più restrittive, incentivando lo sviluppo di combustibili alternativi capaci di ridurre l’impronta di carbonio. In questo contesto, l’ammoniaca ha suscitato particolare interesse poiché, grazie alla sua struttura priva di carbonio, all’elevata densità energetica e all’infrastruttura già ben consolidata, rappresenta un potenziale combustibile alternativo ai carburanti fossili. Nel panorama attuale della ricerca, l’attenzione si concentra prevalentemente sullo sviluppo di motori ad accensione spontanea, in virtù del loro maggiore rendimento rispetto ai motori ad accensioni comandata, aspetto cruciale per la riduzione delle emissioni di inquinanti e dei gas serra. Tuttavia, prima di poter considerare l’ammoniaca come combustibile praticabile, è necessario affrontare una serie di criticità legate al suo comportamento di combustione sfavorevole. Le principali sfide includono la bassa velocità di propagazione della fiamma, l’elevata temperatura di autoaccensione, la tossicità e la corrosività. A causa della sua ridotta infiammabilità, la soluzione più efficace per l’utilizzo dell’ammoniaca in un motore ad accensione spontanea risulta essere una configurazione a doppio combustibile diesel-ammoniaca. L’attività sperimentale descritta in questa tesi si concentra sull’impiego dell'ammoniaca in un motore monocilindrico heavy-duty con sistema di alimentazione PFI e cilindrata di 2,13-litri, in cui l’accensione della miscela aria-ammoniaca è ottenuta mediante iniezione diretta di una pilota diesel. Sebbene il motore analizzato sia di tipo heavy-duty, l’obiettivo di questo studio è valutarne l’adattabilità ad applicazioni in ambito marino, poiché le sue caratteristiche possono essere trasferite a motori di dimensioni diverse. Durante la fase sperimentale sono state analizzate diverse condizioni operative. A partire dai valori nominali di potenza e regime di rotazione del motore, selezionati in funzione delle curve dell’elica, sono stati scelti secondo il ciclo di prova standardizzato ISO E3 per motori marini, altri tre punti di funzionamento. Questi punti presentano carichi e regimi variabili, espressi in percentuale rispetto ai valori nominali. Per ciascun punto operativo sono state inoltre analizzate diverse condizioni variando: il rapporto aria-combustibile, l’angolo di manovella corrispondente al 50% del combustibile bruciato, la quota energetica fornita dall’ammoniaca, la pressione del sistema di iniezione diesel e il tasso di ricircolo dei gas di scarico. Lo scopo è valutare l’impatto di tali variazioni sulle prestazioni del motore e sulla qualità del processo di combustione, con particolare attenzione alle emissioni dirette dei principali inquinanti e gas serra. Tutti i risultati riportati in questa tesi, si riferiscono esclusivamente alle condizioni di potenza e regime nominale, corrispondenti a 1600\ rpm e una pressione media effettiva indicata pari a 25\ bar. I dati ottenuti risultano molto promettenti sotto il profilo delle prestazioni e delle caratteristiche di combustione. Tuttavia, saranno necessari ulteriori approfondimenti, in particolare per lo sviluppo di soluzioni volte a ridurre le emissioni di inquinanti quali NOx, N2O e ammoniaca incombusta (NH3), che rappresentano i principali prodotti nocivi generati da questi motori, a causa dell’elevato contenuto di azoto nella molecola di ammoniaca e delle sue peculiari proprietà di combustione.