Innovative developments on the use of hydrogen in transport internal combustion engines and power plants

Abstract

BACKGROUND: Innovative technologies and design solutions aimed at using hydrogen in internal combustion engines and hydrogen power plants are reviewed in the paper. The advantages of hydrogen fuel are shown and the main problems that Western automakers face and which determine the ways to solve problems in road transport are identified. In this regard, the method of using hydrogen energy in internal combustion engines and hydrogen power plants becomes a decisive factor.

AIMS: Search for a reasonable and effective method of using hydrogen in transport.

METHODS: The technologies of hydrogen production with the electrolysis method and on-board generation of hydrogen using hydrogen-containing components are considered. It is proposed to use ammonia as a hydrogen carrier reagent for operation in dual-fuel diesel internal combustion engines.

RESULTS: It is noted that ammonia, with a high level of hydrogen content in the molecule, is relatively safe, has a low cost and a significant volume of production. It is easier to store and transport compared to hydrogen. For internal combustion engines operating on hydrocarbon fuel, the use of ammonia and hydrogen, its derivative product, is attractive due to the need to remove highly toxic nitrogen oxides containing in the exhaust gases of diesel internal combustion engines.

One of the main problems of creating an environmentally friendly diesel engine associated with reducing the NOx content to an environmentally safe level is considered. A positive factor of using ammonia is the on-board production of hydrogen in the thermal reactor, as well as the possibility of organizing an effective process of neutralizing nitrogen oxides in a diesel engine.

CONCLUSIONS: The use of ammonia to generate hydrogen allows the diesel engine to implement the process of selective reduction of nitrogen oxides when ammonia is injected into the combustion chamber at the exhaust stroke. This method will significantly increase the efficiency of NOx neutralization in a diesel internal combustion engine due to the possibility of temperature regulation of the NOx neutralization reaction directly in the cylinder and in the exhaust system of the internal combustion engine.

Keywords

innovative technologies / methods of hydrogen production / hydrogen generators / efficiency of fuel reformation processes / use of ammonia / neutralization of nitrogen oxides

References

[1] Mastepanov A, Arai H. Hydrogen strategy of Japan. Energeticheskaya politika. 2020;11(153):62–73. (In Russ.). doi: 10.46920/2409-5516_2020_11153_62

[2] Мастепанов А., Араи Х. Водородная стратегия Японии // Энергетическая политика. 2020. № 11(153). С. 62–73. doi: 10.46920/2409-5516_2020_11153_62

[3] Dunin AY, Shabanov AV, Nguyen T, et al. Improving the energy and environmental performance of a diesel internal combustion engine by using a hydrogen-containing additive. Izvestiya MGTU MAMI. 2022;16(2):125–133. doi: 10.17816/2074-0530-108908

[4] Дунин А.Ю., Шабанов А.В., Нгуен Т.К., и др. Улучшение энергетических и экологических показателей дизельного ДВС путем применения водородосодержащей добавки // Известия МГТУ “МАМИ“. 2022. Т. 16, № 2. C. 125–133. doi: 10.17816/2074-0530-108908

[5] Stolyarevsky A.Ya. Technology for the production of hydrogenmethane mixture for vehicles and energy. Nauka i tekhnika v gazovoy promyshlennosti. 2008;3:73–80. (In Russ.).

[6] Столяревский А.Я. Технология производства водороднометановой смеси для автотранспорта // Наука и техника в газовой промышленности. 2008. № 3 . С. 73–80.

[7] Технико-экономическая оценка различных вариантов хранения водорода. https://studme.org/152663/tehnika/tehniko_ ekonomicheskaya_otsenka_razlichnyh_variantov_hraneniya_ vodoroda.

[8] Технико-экономическая оценка различных вариантов хранения водорода. https://studme.org/152663/tehnika/tehniko_ ekonomicheskaya_otsenka_razlichnyh_variantov_hraneniya_ vodoroda (дата обращения: 25.07.2023)

[9] Ramensky AYu, Shelishch PB, Nefedkin SI. The use of hydrogen as a motor fuel for automotive internal combustion engines. history, present and prospects. Alternativnaya energetika i ekologiya (ISJAEE). 2006;11(43):63–70. (In Russ.).

[10] Раменский A.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И. Применение водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. история, настоящее и перспективы // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2006. № 11(43). С. 63–70.

[11] Popel OS, Tarasenko AB. Hydrogen energy – possible ways of development in Russia. In: VII All-Russian conference with international participation “Fuel cells and power plants based on them.” Proceedings. Moscow: MFTI; 2020:42–46. (In Russ.).

[12] Попель О.С., Тарасенко А.Б. Водородная энергетика – возможные пути развития в условиях России // VII всероссийская конференция с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» Сборник трудов. Москва: МФТИ, 2020. С. 42–46.

[13] Ponomarev-Stepnoy NN, Stolyarevsky AYa. Atomic-hydrogen energy – ways of development. Energiya. 2004;1:3–9. (In Russ.).

[14] Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика – пути развития // Энергия. 2004. № 1. С. 3–9. Масленников Д.С. Особенности применение водорода для повышения эффективности процесса сгорания бензинового ДВС на режиме холостого хода. Магистерская диссертация Тольятти, 2019.

[15] Maslennikov DS. Features of the use of hydrogen to improve the efficiency of the combustion process of a gasoline engine at idle [Master’s thesis] Tolyatti; 2019. (In Russ.).

[16] Andrea T.D., Henshaw P.F., Ting D.S.K. Formation and restraint of toxic emissions in hydrogen-gasoline mixture fuelled. engine // International Journal of Hydrogen Energy. 1998. Vol. 23. P. 971–5.

[17] Andrea TD, Henshaw PF, Ting DSK. Formation and restraint of toxic emissions in hydrogen-gasoline mixture fuelled engine.International Journal of Hydrogen Energy. 1998;23:971–5.

[18] Кавтарадзе Р.З., Сун Б., Голосов А.С., и др. Эффективные показатели водородного двигателя с модифицированной системой топливоподачи при работе на обеднённой смеси // Труды НАМИ. 2021. № 3(286). C. 58–64.

[19] Kavtaradze RZ, Sun B, Golosov AS, et al. Effective performance of a hydrogen engine with a modified fuel supply system when operating on a lean mixture. Trudy NAMI. 2021;3(286):58–64. (In Russ.).

[20] Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Международный проект создания паровой конверсии метана с выделением водорода. Атомно-водородная энергетика пути развития // Энергия. 2004. № 1. С. 3–9.

[21] Ponomarev-Stepnoy NN, Stolyarevsky AYa. International project for the creation of steam reforming of methane with the release of hydrogen. Atomic-hydrogen energy – ways of development. Energiya. 2004;1:3–9. (In Russ.).

[22] Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хергеледжи М.В. Бортовое генерирование водородосодержащего газа для транспортных двигателей // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 2(32).

[23] Fomin VM, Kamenev VF, Khergeledzhi MV. On-board generation of hydrogen-containing gas for transport engines. Transport na alternativnom toplive. 2013;2(32):41–47. (In Russ.).

[24] С. 41–47.

[25] Каким должно быть топливо будущего. Все, что нужно знать о водородном топливе будущего. Методы получения H2. https://www.avtoprin.ru/deprivation/kakim-dolzhno-byt-toplivobudushchego-vse-chto-nuzhno-znat-o-vodorodnom/

[26] Каким должно быть топливо будущего. Все, что нужно знать о водородном топливе будущего. Методы получения H2. https://www.avtoprin.ru/deprivation/kakim-dolzhno-byt-toplivobudushchego-vse-chto-nuzhno-znat-o-vodorodnom/ (дата обращения 25.07.2023)

[27] Savost’yanov AP, Kravchenko OA. Hydrogen energy and technologies. Novocherkassk: Yuzhno-Rossiyskiy gosudarstvennyy politekhnicheskiy universitet (NPI) im MI Platova; 2021. (In Russ.).

[28] Савостьянов А.П., Кравченко О.А. Водородная энергетика и технологии. Новочеркасск: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 2021.

[29] Fomin VM. Increase of efficiency of alternative fuels use in transport. Izvestiya MGTU MAMI. 2016;10(2):84–92. doi: 10.17816/2074-0530-66945

[30] Фомин В.М. Повышение эффективности использования альтернативного топлива на транспорте // Известия МГТУ “МАМИ“. 2016. Т. 10, № 2. C. 84–92. doi: 10.17816/2074-0530-66945

[31] Kamenev VF, Fomin VM, Apelinskiy DV, et al. Generation of hydrogen containing gas on board a vehicle. Izvestiya MGTU MAMI. 2013;7(1-1):204–212. doi: 10.17816/2074-0530-68332

[32] Каменев В.Ф., Фомин В.М., Апелинский Д.В., и др. Генерирование водородосодержащего газа на борту транспортного средства // Известия МГТУ “МАМИ“. 2013. Т. 7, № 1–1. C. 204–212. doi: 10.17816/2074-0530-68332

[33] Fomin VM, Kamenev VF. Preliminary thermochemical conversion of fuel in power systems of internal combustion engines. Vestnik RUDI. Seriya. Inzhenernye issledovaniya. 2003;1:59–65. (In Russ.).

[34] Фомин В.М., Каменев В.Ф. Предварительное термохимичекое преобразование топлива в системах питания двигателей внутреннего сгорания // Вестник РУДИ. Серия. Инженерные исследования. 2003. № 1. С. 59–65.

[35] Fomin VM. Effective use of hydrogen power resources in the power supply structure of agroindustrial complex. Tractors and Agricultural Machinery. 2014;81(6):3–7. doi: 10.17816/0321-4443-65540

[36] Фомин В.М. Эффективное применение водородных энергоресурсов в структуре энергообеспечения АПК // Тракторы и сельхозмашины. 2014. Т. 81, № 6. C. 3–7. doi: 10.17816/0321-4443-65540

[37] Использование аммиака для хранения и транспортировки возобновляемой энергии. https://h2.d3.ru/ispolzovanie-ammiakadlia-khraneniia-i-transportirovki-vozobnovliaemoi-energii2140871/?sorting=rating

[38] Использование аммиака для хранения и транспортировки возобновляемой энергии. https://h2.d3.ru/ispolzovanie-ammiakadlia-khraneniia-i-transportirovki-vozobnovliaemoi-energii2140871/?sorting=rating (дата обращения: 25.07.2023)

[39] MAN возглавляет новый проект на четырехтактном ДВС, работающем на аммиаке. https://www.marinelog.com/technology/ project-on-ammonia-fueled-four-strokes-kicks-off/

[40] MAN возглавляет новый проект на четырехтактном ДВС, работающем на аммиаке. https://www.marinelog.com/technology/ project-on-ammonia-fueled-four-strokes-kicks-off/ (дата обращения: 25.07.2023)

[41] Shabanov AV, Kondratiev DV, Vanin VK, et al. The issue of improving the efficiency of nitrogen oxide neutralization systems in diesel internal combustion engines. Izvestiya MGTU MAMI. 2021;15(2):101-112. doi: 10.31992/2074-0530-2021-48-2-101-112.

[42] Шабанов А.В., Кондратьев Д.В., Ванин В.К., и др. К вопросу повышения эффективности систем нейтрализации оксидов азота в дизельных ДВС // Известия МГТУ “МАМИ“. 2021. Т. 15, № 2. C. 101–112. doi: 10.31992/2074-0530-2021-48-2-101-112 22.

[43] Kutenev VF, Kisulenko BV, Shute YuV. Environmental safety of vehicles with internal combustion engines. Moscow: Ekologiya. Mashinostroenie; 2009. (In Russ.).

[44] Кутенев В.Ф., Кисуленко Б.В., Шюте Ю.В. Экологическая безопасность автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. М.: Экология. Машиностроение, 2009.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector