NanoIgnite – Nanomaterial Photo Ignition of Carbon Free Fuels in Marine Engines

NanoIgnite har som mål å utforske tenning av ammoniakk i motorer ved bruk av fototenning av karbon-nanorør. Teknologien i NanoIgnite tar utgangspunkt i at karbon-nanorør antennes når de utsettes for et sterkt lysglimt. Ved å utnytte denne egenskapen kan man antenne en drivstoff-luftblanding i en motor mer effektivt. Dette skjer fordi karbon-nanorørene fordeles jevnt inni motoren og antennes på mange ulike punkter samtidig, i motsetning til en konvensjonell tenningsmekanisme som bare antenner drivstoffet på ett eller få punkter. Ved å bruke denne teknologien kan man potensielt oppnå økt termisk virkningsgrad og lavere utslipp fra motoren. I løpet av forprosjektet som varte fra april 2021 til oktober 2022 var målet å bevise konseptet eksperimentelt. Arbeidet begynte med eksperimentelle forberedelser med mål om å demonstrere fototenning i et konstantvolum-kammer. Testriggen gjorde det mulig å eksperimentere med fototenning av karbon-nanorør for ulike blandinger av metan og luft, hvor mengden karbon-nanorør og lysglimttidspunktet kunne varieres. Etter å ha eksperimentert med flere måter på å fordele karbon-nanorørene inni kammeret, og for ulike termodynamiske forhold, ble det oppnådd tenning av metan. Fototenning av metan ved bruk av en ekstern lyskilde har ikke tidligere blitt rapportert og er derfor et viktig steg mot å bevise konseptet i en ekte motor. Resultatene av fototenningseksperimentene viste at man bare oppnår tenning ved drivstoffmagre forhold, det vil si når det er mer oksygen tilgjengelig enn hva som kreves for fullstendig forbrenning. Studien viser også at tenning skjer samtidig på mange ulike punkter i volumet når man bruker en ekstern lyskilde. Dette støtter antagelsen om at fototenning øker forbrenningshastigheten. Det neste steget i prosjektet er å overføre utstyret og kunnskapen som er utviklet i forprosjektet til en forskningsmotor som drives av ammoniakk. Den planlagte studien vil potensielt vise at fordelt tenning muliggjør forbrenning av ammoniakk mer effektivt og gir lavere utslipp sammenlignet med konvensjonelle tenningsteknologier.

For many years, a method to reliably ignite a homogeneous mixture of fuel and air in an engine, using some form of volumetric distributed ignition, has been sought after. The distributed ignition has the potential to increase thermal efficiency and expand the engine operating range, resulting in reduced fuel consumption and lower emissions. This project will demonstrate a new methodology to achieve this, thus being of importance to the academic engine community, as well as the industry. The proposed technology consists of using a photosensitive nanomaterial as the source of ignition in engines for achieving distributed ignition. The expected outcome of the technology is carbon-free operation of marine engines using ammonia as fuels and nanomaterials as ignition promoters. The technology will also lead to improved thermal efficiency and greater engine control, thereby lowering NOx/N2O emissions from ammonia combustion. Achieving distributed ignition in the engine by photo ignition has not been performed before and will therefore create a great deal of attention from the academic community, inspiring other research groups to contribute to the development of the technology.

When carbon nanotubes are irradiated with a high intensity light, such as a camera flash, they ignite and burn – a phenomena called photo ignition. NanoIgnite will develop and build a new engine concept using the photo ignition of carbon nanotubes to ignite a new environmentally friendly fuel – ammonia. While many applications currently using internal combustion engines are switching to alternatives, such as electricity, some applications will continue to use engines for many years to come. The maritime sector is such an application, due to the extreme ranges, the need for high robustness, the required lifetime of operation and the huge costs involved. To reduce the greenhouse gas emissions from this sector, alternative fuels with low or zero carbon are being examined. Ammonia is a very promising fuel and is forecast to be a major maritime fuel in the future. Ammonia is useful as a fuel but has some characteristics that make its use in an engine difficult to achieve and optimise. The main problems are that it is quite difficult to ignite in the engine and combustion is hampered by a low flame speed. Current state-of-the-art is to use a liquid fossil fuel with the ammonia. The liquid fossil fuel easily ignites in the engine and helps improve the combustion. The primary objective of the project is to use carbon nanotubes, in extremely small quantities and flash them with a very bright light emitting diode when inside the engine. These will then ignite the ammonia and massively improve the combustion. The critical R&D challenges faced are the development of a new light system, the development of a method to deliver the nanotubes into the engine and how to then combine them in an experimental engine with windows. Then ammonia will be ignited inside the engine to prove that the concept works and demonstrate the technology being applied in an engine for the first time.