ANALISI COMBINATA 0D-1D/CFD-3D DELLA DISTRIBUZIONE DI IDROGENO TRA I CILINDRI DI UN MOTORE DUAL FUEL DIESEL-H2

La crescente attenzione verso il cambiamento climatico e la necessità di ridurre le emissioni inquinanti stanno guidando una profonda trasformazione nei settori dell’energia e dei trasporti. I motori a combustione interna rappresentano ancora una delle principali tecnologie di conversione energetica in sistemi di mobilità e applicazioni industriali. Sebbene l’elettrificazione costituisca una strategia chiave per la decarbonizzazione, l’impiego di combustibili rinnovabili a basso contenuto di carbonio rappresenta un’ulteriore opzione, soprattutto in applicazioni che richiedono elevata densità energetica e flessibilità operativa. In questo contesto, l’idrogeno si sta affermando come un promettente vettore energetico. Utilizzato come combustibile, non produce CO₂ diretta e può essere ottenuto da diverse fonti, incluse le rinnovabili. Una configurazione rilevante nei motori è il Dual Fuel Diesel–H₂, in cui una piccola quantità di combustibile ad alta reattività, come il gasolio, innesca la combustione mentre l’idrogeno fornisce la quota significativa di energia, permettendo di valorizzare tecnologie esistenti e favorendo la transizione energetica. L’impiego dell’idrogeno in motori pluricilindrici introduce però criticità legate alla formazione della miscela aria-combustibile. L’iniezione di idrogeno a bassa pressione nel collettore comporta fenomeni di trasporto e miscelazione che possono generare distribuzioni non uniformi del combustibile gassoso tra i cilindri, con effetti su combustione ed emissioni. La presente tesi analizza la distribuzione dell’idrogeno tra i cilindri di un motore 3 cilindri Dual Fuel Diesel–H₂, con l’obiettivo di valutarne l’influenza della dinamica del sistema di aspirazione. Il lavoro si basa su un approccio di modellazione numerica integrata. In una prima fase è stato utilizzato un modello monodimensionale del motore, calibrato su dati sperimentali, per stimare in via preliminare la ripartizione del combustibile e il rilascio di energia nelle diverse condizioni operative. Il contributo principale consiste nell’integrazione del modello 0D-1D con un modello CFD-3D del collettore e dei condotti di aspirazione, ottenendo un approccio combinato 0D-1D/CFD-3D. Tale metodologia ha permesso di analizzare in modo più realistico la distribuzione dell’idrogeno tra i cilindri, evidenziando disuniformità legate alla geometria del collettore e all’interazione tra i flussi. I risultati evidenziano differenze sulla massa di idrogeno intrappolata nei singoli cilindri fino al 2% rispetto al valore medio, con conseguenti variazioni di IMEP fino all’1.8%. Mediamente si osserva una presenza di 0.026 mg di idrogeno residuo nel collettore, valore che raggiunge un picco di 0.034 mg in corrispondenza di fenomeni di inversione del flusso. Le disuniformità nella distribuzione del combustibile si riflettono anche sui picchi di pressione in camera, che presentano differenze fino a 2.5 bar. È stata infine valutata l’influenza della pressione di iniezione dell’idrogeno (8 bar contro i 5 bar sperimentali). I risultati mostrano una riduzione significativa dei fenomeni di ristagno e reflusso di idrogeno verso il collettore, con valori pari al 25% di quelli osservati nel caso di riferimento. In tale configurazione non emergono differenze apprezzabili di IMEP o di picco di pressione tra i cilindri. In conclusione, il lavoro evidenzia il ruolo della dinamica di aspirazione e dei parametri di iniezione dell’idrogeno sulla distribuzione del combustibile a bassa reattività in configurazioni Dual Fuel Diesel–H₂. Tra i futuri sviluppi si propone l’ottimizzazione della legge di iniezione del gasolio per il rispetto dei target di picco di pressione e IMEP nel caso di riferimento, oltre all’estensione dell’analisi agli altri casi sperimentali disponibili.