Simulazione numerica dei processi di iniezione e combustione nei motori ad idrogeno = Numerical simulation of Injection and Combustion processes in Hydrogen Fuelled Internal Combustion Engine

Nella corsa per raggiungere l'obiettivo delle emissioni zero, il motore a idrogeno ha suscitato un notevole interesse, poiché potrebbe rappresentare un combustibile in grado di ridurre a lungo termine le emissioni di CO₂ quasi a zero, sia allo scarico che nel processo di produzione. Da un lato, le caratteristiche dell'H₂, come l'ampio intervallo di infiammabilità in aria, l'elevata velocità di fiamma, la buona resistenza all'autoaccensione e l'alto coefficiente di diffusione nell'aria, lo rendono particolarmente adatto come combustibile per motori a combustione interna. Dall'altro lato, ci sono ancora svantaggi legati, ad esempio, alla bassa energia minima di accensione dell'H₂, che può essere una delle principali cause di combustione anomala. Inoltre, la bassa densità energetica dell'idrogeno richiede necessariamente l'adozione dell'iniezione diretta per ottenere un livello accettabile di densità di potenza del motore. Tuttavia, l'iniezione diretta di idrogeno pone significative sfide in termini di omogeneità della miscela, che può compromettere il processo di combustione. Questo richiede studi approfonditi al fine di comprendere meglio le cause principali di questi fenomeni e trovare possibili soluzioni. La presente tesi si concentra sulla simulazione CFD 3D per supportare lo sviluppo del motore a idrogeno utilizzando il software CFD commerciale Converge. Attraverso la simulazione CFD 3D, l'obiettivo è analizzare in dettaglio cosa accade nel cilindro tra la fine dell'iniezione e la fine della fase di combustione. In particolare, il caso di studio è un motore a sei cilindri a combustione comandata con una cilindrata di 13 litri e iniezione diretta di idrogeno nella camera di combustione. È progettato per un'applicazione per veicoli pesanti. I risultati del lavoro mostrano l'importanza cruciale della fase di miscelazione per ridurre il rischio di pre-accensione e garantire un processo di combustione efficiente. L'omogeneità della miscela è fortemente influenzata dal momento di inizio dell'iniezione e dalla strategia di iniezione. Inoltre, il presente lavoro si concentra sulla valutazione del dosaggio aria-combustibile locale nel fronte di fiamma durante la fase di combustione. Per analizzare questo aspetto, viene effettuato un confronto tra due modelli di combustione, ECFM e SAGE. Per questa analisi è stato sviluppato un codice Python per ottenere i dati relativi all'identificazione del fronte di fiamma e per il calcolo della composizione della miscela.