STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA AD ACCENSIONE PER COMPRESSIONE ALIMENTATO A IDROGENO: SFIDE OPERATIVE, PRESTAZIONI E DESIGN DI UN SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA DI H2

The awareness of the climate emergency has led countries to reduce greenhouse gas emissions. Decarbonization, or the reduction of carbon dioxide (CO2) emissions, requires a radical transformation of energy, industrial and transportation systems, promoting the adoption of low-carbon technologies. In this context, hydrogen is considered one of the most promising solutions, especially in the field of road and marine transportation, where internal combustion engines are widely used. The purpose of this study is to highlight the benefits and critical issues related to the use of hydrogen in ICEs and to evaluate different possibilities for its use. In compression ignition engines, which are the most widely used in heavy-duty transportation, the use of hydrogen is highly desirable to reduce the most harmful pollutants for the planet. In this type of engine, it is necessary for the air-H2 mixture to self-ignite under all load and speed conditions promoted by high pressures and temperatures in the combustion chamber. However, as reported in the literature, this phenomenon requires higher intake air temperatures and compression ratios than classical engines. One potential solution is the adoption of a dual-fuel system, which involves the injection of a second fuel to help the mixture ignition. Currently, there are some research about dual-fuel engines in which a H2 Port Fuel Injection system is applied in addition to a Common Rail one. However, this configuration has some disadvantages, such as the reduction of volumetric efficiency and the risk of backfiring. Issues can be overcome by adopting a direct H2 injection system that works simultaneously with the main Diesel direct injection system. The aim of this thesis is the development of a direct H2 injection system to be installed on a single-cylinder compression-ignition research engine. The preliminary design was carried out using a one-dimensional gas dynamic model, which was then validated with three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations. The purpose for future research is to gather system performance data through experimental tests and analyse the engine’s performance.

La consapevolezza dell'emergenza climatica ha portato i Paesi a ridurre le emissioni di gas serra. La decarbonizzazione, ovvero la riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2), richiede una trasformazione radicale dei sistemi energetici, industriali e di trasporto, promuovendo l'adozione di tecnologie a basso contenuto di carbonio. In questo contesto, l'idrogeno è considerato una delle soluzioni più promettenti, soprattutto nel campo del trasporto stradale e marittimo, dove i motori a combustione interna sono ampiamente utilizzati. Lo scopo di questo studio è quello di evidenziare i vantaggi e le criticità legate all'uso dell'idrogeno nei motori a combustione interna e di valutare le diverse possibilità di utilizzo. Nei motori ad accensione spontanea, che sono i più utilizzati nei trasporti pesanti, l'uso dell'idrogeno è altamente auspicabile per ridurre gli inquinanti più dannosi per il pianeta. In questo tipo di motori è necessario che la miscela aria-idrogeno possa trovare condizioni di pressione e temperatura tali da auto-accendersi in tutte le configurazioni di carico e di velocità. Tuttavia, come riportato in letteratura, questo fenomeno richiede temperature dell'aria aspirata e rapporti di compressione più elevati rispetto ai motori classici. Una potenziale soluzione è l'adozione di un sistema dual-fuel che prevede l'iniezione di un secondo carburante per favorire l'accensione della miscela. Attualmente la letteratura scientifica riporta diverse ricerche sui motori dual-fuel in cui viene applicato un sistema di iniezione indiretta di H2 in aggiunta a un sistema Common Rail. Tuttavia, questa configurazione presenta alcuni svantaggi, come la riduzione dell'efficienza volumetrica e il rischio di flashback. Queste problematiche possono essere superate adottando un sistema di iniezione diretta di H2 che funzioni simultaneamente al sistema principale di iniezione del gasolio. Lo scopo di questo lavoro di ricerca è lo sviluppo di un sistema di iniezione diretta di H2 da installare su un motore di ricerca monocilindrico ad accensione spontanea. Il progetto preliminare è stato realizzato utilizzando un modello gas-dinamico monodimensionale (1D), che è stato poi convalidato con simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) 3D. L'obiettivo della ricerca futura è raccogliere dati sulle prestazioni del sistema attraverso prove sperimentali e analizzare le prestazioni del motore.