Modellazione numerica di un motore a combustione interna dual-fuel Diesel/Idrogeno per applicazioni medium-heavy duty = Numerical modeling of a dual-fuel Diesel/Hydrogen internal combustion engine for medium-heavy duty applications

Nell’attuale scenario di decarbonizzazione del settore dei trasporti medium-heavy duty, una delle strategie più rilevanti per accompagnare la transizione energetica verso una maggiore sostenibilità è rappresentata dall’impiego dell’idrogeno come combustibile alternativo nei motori a combustione interna, sfruttandone le peculiari caratteristiche chimico-fisiche che lo rendono particolarmente promettente per la riduzione delle emissioni di gas serra. Tra le varie possibilità applicative, una delle più interessanti riguarda il suo utilizzo nei motori ad accensione per compressione operanti secondo la modalità di combustione dual-fuel; in particolare, la tecnologia PFI con iniezione di H2 nei condotti di aspirazione rappresenta una tipologia di configurazione dual-fuel in cui l’idrogeno e l’aria formano una miscela omogenea che viene innescata dalla combustione di diesel pilota iniettato nel cilindro. Una configurazione di questo tipo consente l’impiego di motori diesel convenzionali che richiedono minime modifiche costruttive, agevolando così l’integrazione dell’idrogeno come combustibile attraverso l’adozione di un iniettore specifico e di un serbatoio dedicato. Sulla base di quanto esposto, il seguente lavoro di tesi si è focalizzato sulla modellazione numerica di un motore dual-fuel Diesel/H2 destinato ad applicazioni medium-heavy duty, analizzandone le prestazioni e le emissioni. La prima parte dell’attività si è concentrata sull’impostazione di un’analisi dei dati sperimentali, finalizzata a esplorare e comprendere gli effetti congiunti di idrogeno e diesel nella modalità dual-fuel, valutandone l’impatto su emissioni specifiche e prestazioni. In particolare, si è adottato un approccio quantitativo-qualitativo focalizzato dapprima sull’analisi delle variazioni della quota energetica di H2 lungo la mappa motore fornita e, a seguire, sulla valutazione degli effetti di alcuni parametri motoristici sulla dinamica di combustione dual-fuel, sulle emissioni nocive e sull’efficienza del motore in termini di consumi specifici. Il confronto con punti di funzionamento Diesel-only ha consentito, inoltre, di evidenziare vantaggi e criticità dell’impiego dell’idrogeno come combustibile alternativo. Sulla base dei risultati emersi, si è proceduto con lo sviluppo del modello di combustione predittivo, mirato a simulare il comportamento sperimentale del motore dual-fuel analizzato attraverso l’utilizzo del software GT-SUITE. Mediante un approccio di tipo reverse-run a volume chiuso, è stata eseguita un’analisi CPOA per il calcolo dei burn rate a partire dalle tracce sperimentali di pressione nel cilindro. L’ottimizzazione di alcuni parametri con l’obiettivo di ridurre lo scostamento tra dati sperimentali e valori simulati, unitamente all’estrapolazione dei profili di burn rate, ha consentito così di far girare il modello completo di motore in condizioni di combustione imposta. Pertanto, uno studio combinato 0D-1D ha permesso di correlare il modello digitale ai dati sperimentali attraverso la calibrazione e validazione di alcuni parametri, coprendo un ampio spettro di condizioni operative. L’attività si è conclusa con lo sviluppo del modello predittivo di combustione, dapprima con la calibrazione di parametri di turbolenza mediante l’analisi TPA e successivamente con la calibrazione di parametri rappresentativi della combustione dual-fuel Diesel/H2. Infine, il modello calibrato è stato validato sul modello completo per verificarne la consistenza, realizzando così un gemello digitale del motore reale.