Simulation-Driven Optimization of a HPDI Argon Hydrogen Engine

Questa tesi presenta uno studio volto all’ottimizzazione di un motore a combustione interna ad Argon-Idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione, operante in configurazione a ciclo chiuso. L’obiettivo è esplorare il potenziale dell’idrogeno come combustibile privo di carbonio, combinato con l’argon come working fluid, vantaggioso dal punto di vista termodinamico. È stato sviluppato un modello 1D dettagliato in GT-POWER, partendo da un’architettura convenzionale di motore diesel a sei cilindri, modificata progressivamente per implementare strategie di sovralimentazione, raffreddamento dell’aria di aspirazione e accoppiamento turbocharger-motore. Il lavoro inizia con simulazioni di base per valutare il comportamento di convergenza e l’efficienza intrinseca dell’architettura base a ciclo chiuso. Successivamente, viene introdotto un turbochager a geometria fissa per recuperare l’energia dei gas di scarico, evidenziando la necessità di una migliore gestione termica a causa dell’aumento delle temperature di aspirazione. Si aggiunge quindi un intercooler, che ripristina con successo la stabilità termica e migliora la Brake Thermal Efficiency (BTE). Studi parametrici sul contenuto di argon, sulla pressione iniziale e sul rapporto di equivalenza aria-combustibile mostrano che la diluizione con argon e la pressione del sistema sono fattori critici per raggiungere l’efficienza ottimale. Infine, viene eseguita un’analisi di accoppiamento tra compressore e turbina, calibrando i moltiplicatori di massa ed efficienza, ottenendo una BTE massima del 57% e una riduzione del consumo specifico di combustibile del 2%. Il modello finale conferma che l’accoppiamento ottimale del turbo è essenziale per sbloccare il pieno potenziale di un motore a idrogeno a ciclo chiuso. Dal punto di vista ambientale, il sistema proposto elimina le emissioni di carbonio, rendendolo una soluzione promettente per il futuro della mobilità sostenibile nel settore dei trasporti. Studi futuri prevedono l’estensione del modello con turbocharger a geometria variabile ed elettrici, oltre alla validazione su banco prova di motori reali, in vista di un'applicazione su veicoli commerciali.