Sviluppo di un modello di combustione predittivo 1D per un motore alimentato ad idrogeno con iniezione PFI = Development of a 1D predictive combustion model for a hydrogen fuelled engine with PFI injection

L’utilizzo dell’idrogeno nei motori a combustione interna rappresenta una soluzione molto promettente per una prospettiva futura di veicoli a zero impatto ambientale. Infatti, questo combustibile permette di eliminare le emissioni di CO2 e di sostanze inquinanti come CO e HC, e, inoltre, consente di operare con grande eccesso di aria ottenendo emissioni di NOx molto contenute. La simulazione numerica del processo di combustione in motori alimentati a idrogeno richiede però dei modelli opportunamente ottimizzati per tener conto delle proprietà chimiche e fisiche di questo combustibile, quali ad esempio l’elevata velocità laminare della fiamma. A tal proposito, questo lavoro di tesi ha come obiettivo la calibrazione e la valutazione delle capacità predittive di un modello di combustione 1D-CFD all’interno del software di simulazione GT-SUITE, avendo come caso di studio un motore 6 cilindri convertito da diesel a idrogeno. A partire dai risultati di combustione ottenuti tramite simulazioni 3D-CFD, sono stati investigati due differenti approcci per la simulazione del processo di combustione. Come primo step è stato sviluppato un modello di combustione semi-predittivo Wiebe, con l’obiettivo di fornire uno strumento per analisi preliminari, richiedendo come input la conoscenza di parametri operativi motore. Successivamente, per ottenere uno strumento più accurato, è stato ottimizzato un modello di combustione di tipo predittivo SITurb, in modo da poter descrivere la propagazione del fronte di fiamma alle varie condizioni operative. È stato quindi necessario, in primo luogo, implementare una correlazione della velocità di fiamma laminare in grado di tener conto delle caratteristiche del combustibile e delle condizioni termodinamiche e chimiche all’interno della camera di combustione, e in secondo luogo ottimizzare un modello di turbolenza per una stima accurata del livello di turbolenza all’anticipo di accensione. Il modello è stato calibrato e successivamente validato considerando i risultati di combustione 3D-CFD. Il modello di combustione predittivo, opportunamente ottimizzato per la combustione di idrogeno, presenta un livello di accuratezza molto alto essendo in grado di replicare il processo di combustione in tutte le condizioni operative oggetto di analisi.