Sullo sviluppo di un modello 3D-CFD per simulazioni di motori a combustione interna alimentati a idrogeno

The scientific community’s ongoing pursuit of innovation has revived interest in hydrogen as a fuel for internal combustion engines (ICEs). This is only the latest wave in a long history of attention to hydrogen, considering that the first ICE car ever built, the de Rivaz prototype (1807), was hydrogen fuelled. The European Union’s increasingly strict emission targets for road vehicles have further fuelled this revival, especially after the “diesel gate” scandal, which revealed how difficult it was for manufacturers to meet tighter standards without expensive redesigns, complex aftertreatments, or hybridization, each reducing competitiveness. Despite industry challenges, EU policy has continued to tighten, culminating in the planned 2030 phase-out of ICEs. In this context, hydrogen reemerged as a potential transitional fuel toward carbon neutrality, allowing continued use of well-established ICE technology instead of complete replacement. The viability of hydrogen ICEs, however, depends strongly on how hydrogen is produced and distributed. While widespread use in light-duty vehicles remains unlikely in the short term, hydrogen engines appear more realistic for heavy transport applications such as trucks or ships. Hydrogen use in ICEs is thus not a technological breakthrough, and its field of application seems limited. Yet, hydrogen-fuelled ICEs hold great research value, particularly in 3D CFD (computational fluid dynamics) modelling. Hydrogen’s unusual fuel properties make it a demanding benchmark for frameworks originally developed for gasoline engines, revealing how much of the modelling relies on robust physical laws versus empirical correlations. Moreover, hydrogen’s exceptional combustion characteristics force the computational framework to remain as general and physically grounded as possible. This work presents the development and validation of a 3D CFD framework through three stages. The first phase employed a Lombardini 15LD500 single-cylinder engine, originally a naturally aspirated diesel, retrofitted by the University of Pisa for direct hydrogen injection. Tests covered equivalence ratios (φ) from 0.4 to 0.8 and speeds from 1500 to 3000 rpm, for a total of 11 operating points across the engine map. Remarkably, one single set of calibration constants reproduced experimental data for all conditions using nominal spark timing, strengthening confidence in the framework and enabling detailed analysis of combustion physics. The second phase focused on the PSA EP6 engine, a stock-based single-cylinder unit with an optically modified piston, tested by the University of Orléans in port fuel injection (PFI) mode. By eliminating mixture-stratification uncertainties, this setup allowed a more accurate evaluation of the model’s ability to reproduce combustion behaviour, the primary driver of heat release. Tests covered a narrower range of 1200–1500 rpm and φ < 0.55, extending down to 0.30, the leanest condition. This phase enabled investigation of secondary phenomena such as wall-flame quenching and instability. The latter remains an open topic, mainly because (1) modelling flame instability in 3D CFD URANS remains difficult, with only one established method to date, and (2) its effects on turbulent, transient ICE flames are still poorly understood. The final phase introduced a new method to represent flame instability within URANS simulations. This approach provided an initial assessment of instability effects under tested conditions and, more broadly, improved the predictive capability of 3D CFD frameworks for hydrogen-fuelled ICEs.

La continua ricerca di innovazione ha riportato l'interesse sull'idrogeno come combustibile per motori a combustione interna (ICE), applicazione esistente fin dal prototipo Rivaz del 1807. Gli obiettivi sempre più severi dell'UE sulle emissioni, aggravati dal “diesel gate”, hanno reso difficile rispettare standard rigorosi senza costose riprogettazioni, trattamenti post-combustione o ibridizzazione, con conseguente perdita di competitività di prezzo. Con la prevista eliminazione graduale degli ICE entro il 2030, l'idrogeno emerge come combustibile di transizione, permettendo di usare tecnologie consolidate anziché sostituirle. La fattibilità dei motori a idrogeno dipende dalla produzione e distribuzione dell’idrogeno. Sebbene l’uso diffuso nei veicoli leggeri sia improbabile a breve termine, appare più realistico per trasporto pesante, camion e navi. Non rappresenta una svolta tecnologica, ma ha grande valore di ricerca, specialmente nella modellazione CFD 3D, dove le proprietà insolite dell’idrogeno sfidano framework originariamente sviluppati per benzina, evidenziandone la dipendenza dalle leggi fisiche più che dalle maggiormente labili correlazioni empiriche. Questo lavoro sviluppa e valida un framework CFD 3D in tre fasi. Nella prima fase si è usato un motore monocilindrico Lombardini 15LD500, convertito a iniezione diretta di idrogeno, testato con rapporti di equivalenza φ da 0,4 a 0,8 e velocità di rotazione tra 1500 e 3000 giri/min (11 punti operativi totali). Un unico set di costanti di calibrazione ha riprodotto tutti i dati sperimentali rispettando la fasatura d'accensione nominale, rafforzando la fiducia nel modello e consentendo un’analisi dettagliata della combustione. La seconda fase ha coinvolto il motore PSA EP6 monocilindrico con pistone ad accesso ottico a iniezione indiretta (PFI), testato tra 1200 e 1500 giri/min e φ da 0,55 fino a 0,30. Questa configurazione ha ridotto le incertezze derivanti dalla stratificazione, permettendo di valutare accuratamente la capacità del modello di riprodurre la combustione e fenomeni secondari come spegnimento a parete e instabilità di fiamma. L’instabilità rimane un aspetto complesso da modellare con simulazioni CFD URANS, a causa degli effetti ancora poco conosciuti su fiamme turbolente. La terza fase, infine, ha introdotto un nuovo metodo per rappresentare l’instabilità di fiamma in simulazioni URANS, fornendo una prima valutazione dei suoi effetti e migliorando la predittività dei framework CFD 3D per ICE alimentati a idrogeno.