アンモニア - 未来の燃料

世界人口のエネルギー需要が増加し続ける中、長期的な持続可能性に焦点を当てたエネルギー経済の再考が急務となっています。現在、この需要は主に化石燃料によって満たされており、その結果として地球温暖化という大きな負の影響を引き起こしています。水素のような非炭素ベースの経済への部分的または完全な移行が提案されていますが、貯蔵や輸送の困難さから、世界的な水素経済の実現は難しいとされています。そこで近年、アンモニアが水素キャリアおよび内燃機関の燃料として有望な代替手段として浮上しています。

アンモニアは純粋な水素に比べていくつかの利点を持っています。アンモニアは体積密度が高く、約10バールの圧力で常温で液化でき、農業（肥料生産）や産業用冷凍に広く使用されているため、既に広範なグローバル流通インフラが整っています。また、燃焼範囲が狭いため、貯蔵や輸送の安全性も高いです。しかし、使用には毒性、低い発熱量、遅い層流燃焼速度といった欠点も伴います。

アンモニア使用の主な欠点は高いNO排出量ですが、これは燃焼エンジンの排気ガス後処理における選択的触媒還元（SCR）によって処理できます。効率的な燃焼エンジンは、H2またはディーゼルを補助燃料とするデュアルフューエルシステムでNH3を使用して稼働でき、ジェット点火またはディーゼル噴射点火を用いて燃焼を開始します。いずれの場合も、ディーゼルエンジンのように燃料噴射量を変えることで負荷を制御できます。

ECFM-3Z（Extended Coherent Flamelet Model 3 Zones）は、これまでにいくつかの改良が施されてきました。ここではアンモニア燃焼に焦点を当て、NH3燃焼の拡張について簡単に説明します。NH3がN2とH2Oに燃焼する反応は発熱反応です：

4 NH3 + 3 O2 => 2 N2 + 6 H2O

既存の熱的NO生成メカニズム（Zeldovichメカニズム）を用いてNO排出量を考慮し、このアプローチに必要な原子種は化学平衡メカニズムを使用して決定されます。 新たに適応されたECFM-3Zは、さまざまな燃焼システムに使用できます。純粋なNH3の火花点火システム、ディーゼル燃料の自己着火によって点火されるNH3システム、さらにはNH3/H2/CH4（または他の炭化水素燃料）を主燃料とし、ディーゼルで点火されるシステムの組み合わせなどです。

アンモニアは、火花点火（SI）エンジンと圧縮点火（CI）エンジンの両方で使用できます。デュアルフューエル用途では、SIエンジンには水素やガソリン、CIエンジンにはDMEやディーゼルといった追加燃料とともにNH3を使用できます。

本研究では、ディーゼル点火によるアンモニア運転コンセプトを考慮したエンジンを調査しました。このエンジンは、数値モデルの設定をキャリブレーションするために、いくつかの運転条件が数値的にテストされた良い検証ケースとなりました。キャリブレーションには、1350 rpm、ラムダ=1.9の条件が使用されました。本研究では、アンモニアのエネルギーシェアを80%（ディーゼル20%、アンモニア80%）としました。計算時間を節約するために、使用されたエンジンは構造化メッシュを用いた40°セグメントとして実行されました（図1参照）。

この運転コンセプトでは、燃料噴射のシミュレーションが必要であり、液体ディーゼルの噴射はラグランジュスプレーモデルを使用してシミュレートされました。シリンダー内にはアンモニアが空気と予混合された気体の状態で存在していました。噴射後、ディーゼルの自己着火によって放出される熱が燃焼室内でアンモニアの燃焼を引き起こします。エンジン内での一連のイベント、すなわち噴射、着火、燃焼の全過程は図2のアニメーションに示されています。

図3は、3D CFD（AVL FIRE™ M）シミュレーションと測定から得られたシリンダー平均圧力のトレースの一致を示しています。

FIRE MのECFM-3Zモデルは、ユーザーに対してアンモニア燃焼を迅速かつ効率的に、そして堅牢にシミュレートする可能性を提供します。シミュレーション時間は、従来のガソリンおよびディーゼルエンジンのECFM-3Zモデルを使用したシミュレーションと同等であり、GGPRシミュレーションよりもはるかに高速です。結果は参照データと良好な一致を示しています。

したがって、FIRE Mのソリューションは、火花点火、マイクロパイロット圧縮点火、および外部燃焼促進剤を用いた自己着火など、すべての一般的な点火コンセプトをサポートします。これにより、新しいECFM-3Zモデルは現在検討されているすべてのアンモニア燃焼コンセプトに適用可能です。