State of the art and performance limits of high-performance hydrogen-powered engines

I motori a combustione interna (ICE) alimentati a idrogeno sono oggetto di studio come tecnologia di transizione verso un trasporto a zero emissioni di carbonio, in particolare nelle applicazioni ad alte prestazioni e nei veicoli pesanti, dove le soluzioni a batteria e a celle a combustibile presentano ancora limitazioni. L’analisi mette in evidenza l’elevato contenuto energetico dell’idrogeno in termini di massa e la sua combustione priva di carbonio, a fronte di sfide critiche quali la bassa densità volumetrica, i vincoli di stoccaggio, i fenomeni anomali di combustione e la formazione di NOₓ. Lo studio esamina le strategie di adattamento per motori pesanti e leggeri: l’iniezione nel condotto come soluzione a breve termine di retrofit, l’iniezione diretta per migliori prestazioni e architetture a accensione comandata ottimizzate per un impiego a lungo termine. Vengono analizzati i miglioramenti di efficienza ottenibili tramite combustione magra e strategie “lambda-leap”, insieme a spunti pratici derivanti da prototipi attuali come la Toyota GR Corolla H₂ e il Cummins B6.7H. Le principali barriere tecnologiche tra cui pre-accensione, battito in testa, ritorni di fiamma, degrado dei materiali e problemi di lubrificazione, vengono valutate insieme alle soluzioni di controllo degli NOₓ tramite ricircolo dei gas di scarico, iniezione d’acqua e sistemi avanzati di post-trattamento. I risultati suggeriscono che i motori a idrogeno possano costituire un’opzione valida come tecnologia ponte verso la mobilità a zero emissioni, a condizione di progressi nelle tecnologie di stoccaggio, nei sistemi di iniezione, nella progettazione delle camere di combustione e nella riduzione delle emissioni.

Hydrogen-fueled internal combustion engines (ICEs) are investigated as a transitional technology toward carbon-neutral transport, particularly in high-performance and heavy-duty applications where battery-electric and fuel cell solutions remain limited. The analysis emphasizes hydrogen’s favorable mass-based energy content and zero-carbon combustion, contrasted with critical challenges such as low volumetric density, storage constraints, abnormal combustion phenomena, and NOₓ formation. The study examines adaptation strategies for heavy-duty and light-duty engines: port fuel injection as a short-term retrofit, direct injection for enhanced performance, and optimized spark-ignition architectures for long-term deployment. Efficiency improvements through lean-burn and lambda-leap strategies are discussed, together with practical insights from current prototypes including the Toyota GR Corolla H₂ and Cummins B6.7H. Key technological barriers such as pre-ignition, knock, backfire, material degradation, and lubrication issues are assessed alongside NOₓ control via exhaust gas recirculation, water injection, and advanced aftertreatment. The findings suggest that hydrogen ICEs can provide a viable bridge toward zero-emission mobility, contingent on progress in storage technologies, injection systems, combustion chamber design, and emissions reduction.