1D thermo-fluid dynamic simulation of hydrogen internal combustion engines : implementation of new models in GASDYN

This master thesis work has the objective to improve the ability of the software GASDYN, developed by the Energy Engineering Department of Politecnico di Milano, to correctly simulate hydrogen-fueled engines. In particular, this thesis has focused on the introduction of a new method used to describe hydrogen injection for the 1D Cell solver, already implemented in GASDYN, in order to improve the stability and accuracy of the code. The second improvement regards the computation of the laminar flame speed, fundamental to describe and simulate the combustion process of hydrogen and air mixtures, with the introduction of a new method to compute this value based on a Tabulated Kinetic approach. This new methodology has been furtherly improved with a correction factor that has especially importance in presence of lean hydrogen mixtures. Moreover, a small bibliographic review on After Treatment System (ATS) for hydrogen-fueled engines has been included to present one of the main problematic of this type of Internal Combustion Engine/Engines (ICE). To validate the modifications introduced, the results obtained have been compared to experimental values and with the one obtained with simulations that did not use the new changes in the code. From the analysis of the results, it is possible to conclude that these modifications improve substantially the accuracy of the simulations, in particular for the combustion process, and have made the software significantly more stable. This new version of the software can now be used to simulate more complex configurations of hydrogen-fueled engines, for example by adding turbochargers or more cylinders.

Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di migliorare l’abilità del software GASDYN, sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Energetica del Politecnico di Milano, di simulare in modo corretto motori a combustione interna alimentati ad idrogeno. In particolar modo, questa tesi si è concentrata sull’introduzione di un nuovo metodo atto a descrivere il processo di iniezione dell’idrogeno per il risolutore numerico 1D Cell, già implementato in GASDYN, per migliorarne la stabilità e accuratezza. La seconda modifica implementata riguarda il calcolo della velocità laminare di fiamma, di fondamentale importanza per descrivere e simulare il processo di combustione delle miscele aria-idrogeno, con l’introduzione di un nuovo metodo di computazione basato su cinetica chimica tabulata. Questa nuova metodologia è stata ulteriormente migliorata con l’inserimento di un fattore di correzione che ha speciale importanza per miscele magre. In aggiunta, è stata aggiunta una breve rassegna bibliografica sui sistemi di trattamento dei gas combusti per i motori alimentati ad idrogeno per dare una visione su una delle maggiori problematiche che caratterizzano questi motori a combustione interna. Per verificare la validità delle modifiche introdotte, i risultati ottenuti sono stati comparati con valori sperimentali e con dati ottenuti da simulazioni che non utilizzavano la nuova versione del codice. Dall’analisi dei risultati è possibile concludere che queste modifiche migliorano in modo sostanziale l’accuratezza delle simulazioni, in modo particolare per il processo di combustione, e hanno reso il software significativamente più stabile. Questa nuova versione del programma può essere quindi utilizzata per simulare configurazioni più complesse di motori alimentati ad idrogeno, per esempio aggiungendo turbocompressori o più cilindri