Idrogeno come vettore ENErgetico per applicazioni industriali

Hydrogen-powered internal combustion engines H2ICEs are emerging as an innovative and potentially fast solution for reducing emissions in the transportation sector. This technology offers an interesting alternative to battery electric vehicles, especially because it can take advantage of the existing infrastructure for conventional combustion engines, thereby reducing the costs and time needed for the transition to more sustainable mobility systems. When properly optimized, H2ICEs can combine the efficiency of traditional engines with the benefits of free CO2 combustion. However, adopting hydrogen in internal combustion engines poses significant technical challenges. One of the most critical issues is the direct injection of gaseous hydrogen into the combustion chamber, a complex process that involves managing supersonic flows and optimizing the mixing between hydrogen and air. To address these challenges, computational fluid dynamics (CFD) simulations are a fundamental tool to support the experimental evidence gathered during testing. CFD simulations allow accurate modelling of the mixing and combustion phenomena, enabling engineers to predict engine behaviour during the design phase and make necessary adjustments without relying on expensive experimental trials. Furthermore, CFD can help explain phenomena that are only partially captured or observed in experimental data, reducing development time. In summary, hydrogen-powered internal combustion engines represent a significant opportunity for more sustainable mobility, leveraging established technologies while also requiring advanced innovations and solutions to meet the engineering challenges associated with this clean fuel. This thesis fits within this context, starting with an initial exploratory numerical analysis conducted on a gasoline engine converted to hydrogen. Subsequently, it presents the qualitative and quantitative characterization of supersonic jets of hydrogen surrogate gases, in order to assess which surrogate gas is most suitable for experimental characterization of a given injector. This approach aims to reduce the costs and complexity of experimental campaigns. The injector used for this analysis is a prototype injector provided by Marelli, derived from a methane injector. Finally, the validation of a CFD methodology is presented in a case of premixed combustion, considering the optical access engine of the Technische Universität Darmstadt, where a numerical/experimental comparison is provided.

I motori a combustione interna alimentati a idrogeno H2ICEs emergono come una soluzione innovativa e potenzialmente rapida per la riduzione delle emissioni nel settore dei trasporti. Questa tecnologia offre un’alternativa interessante rispetto ai veicoli elettrici a batteria, soprattutto perché può sfruttare le infrastrutture esistenti dei motori a combustione convenzionali, riducendo i costi e i tempi necessari per la transizione verso sistemi di mobilità più sostenibili. Gli H2ICEs, se correttamente ottimizzati, consentono di combinare l’efficienza dei motori tradizionali con i benefici della combustione priva di CO2. Tuttavia, l’adozione dell’idrogeno nei motori a combustione interna presenta una serie di sfide tecniche significative. Una delle più critiche riguarda l’iniezione diretta di idrogeno gassoso nella camera di combustione, un processo complesso che comporta la gestione di flussi supersonici e l'ottimizzazione del mixing tra idrogeno e aria. Per affrontare queste sfide, la simulazione numerica mediante fluidodinamica computazionale (CFD) si rivela uno strumento fondamentale per supportare le evidenze sperimentali raccolte in fase di sperimentazione. Le simulazioni CFD permettono di modellare accuratamente i fenomeni di mixing e combustione, consentendo di prevedere il comportamento del motore in fase di progettazione e di apportare le modifiche necessarie senza dover ricorrere a costosi test sperimentali. Inoltre, permette di spiegare fenomeni non colti o visibili solo in parte dalle evidenze sperimentali, permettendo di ridurre i tempi di sviluppo. In sintesi, i H2ICEs rappresentano un’opportunità significativa per una mobilità più sostenibile, sfruttando tecnologie consolidate ma richiedendo al contempo innovazioni e soluzioni avanzate per affrontare le sfide ingegneristiche legate all’utilizzo di questo combustibile pulito. Il presente lavoro di tesi si pone in questo quadro, inizialmente con una prima analisi esplorativa puramente numerica svolta su un motore a benzina convertito a idrogeno e, successivamente, presenta la caratterizzazione qualitativa e quantitativa di getti supersonici di gas surrogati all'idrogeno, in modo tale da valutare quale gas surrogato convenga utilizzare per caratterizzare sperimentalmente un dato iniettore, permettendo di ridurre i costi e la complessità delle campagne sperimentali. L'iniettore utilizzato per questa analisi è un iniettore prototipale fornito da Marelli derivato da un iniettore a metano. In ultimo viene presentata la validazione di una metodologia CFD in un caso di combustione premiscelata prendendo in considerazione il motore ad accesso ottico della Technische Universitat Darmstadt, sul quale viene svolto un confronto numerico/sperimentale.