Sviluppo e applicazione di una metodologia 3D-CFD per l’iniezione diretta d’acqua in un motore SI alimentato a idrogeno

La crescente necessità di ridurre le emissioni dei motori a combustione interna ha rinnovato l’interesse verso l’idrogeno come combustibile. Tuttavia, le elevate temperature di combustione di miscele aria-idrogeno possono favorire la formazione di ossidi di azoto (NOx) e fenomeni di combustione anomala. In questo contesto, l’iniezione d’acqua rappresenta una strategia promettente per il controllo termico della carica e la mitigazione delle emissioni. Il presente lavoro sviluppa e applica una metodologia 3D-CFD per la modellazione della combustione in presenza di iniezione diretta di acqua (Direct Water Injection) in un motore monocilindrico SI alimentato a idrogeno, mediante CONVERGE CFD. L’attività parte da un framework numerico precedentemente validato per il motore e lo spray d’acqua, concentrandosi sul raffinamento della relativa metodologia. Le criticità associate all’impiego del modello di combustione G-Equation in presenza di acqua hanno portato allo sviluppo della metodologia denominata ‘V1_water’, nella quale il contributo dei gas residui viene separato da quello del vapore acqueo e l’effetto di quest’ultimo sulla velocità laminare di fiamma viene introdotto mediante una correzione dedicata. Questa metodologia è stata calibrata sul caso dry e confrontata con un approccio basato su SAGE Detailed Chemistry, allo scopo di evidenziare le differenze nella previsione degli NOx. Il confronto tra V1_water e SAGE su tre strategie DWI con SOI pari a 420, 470 e 520 degCA mostra inoltre lo stesso andamento qualitativo al variare della fasatura, ma una maggiore sensibilità di SAGE alla presenza dell’acqua. La metodologia V1_water è stata quindi applicata allo studio dell’effetto della pressione di iniezione, confrontando 200 e 300 bar a parità di massa d’acqua e fasatura. La riduzione della pressione modifica principalmente l’evoluzione transitoria dello spray, mentre in prossimità dell’accensione le due configurazioni raggiungono condizioni simili di evaporazione, diluizione e temperatura. Nel complesso, i risultati numerici evidenziano che l’efficacia dell’adozione della Water Injection dipende dall’efficienza di evaporazione dello spray e quindi dal suo effetto di raffreddamento della carica.