1D numerical modelling of a heavy-duty hydrogen internal combustion engine

The global energy demand is constantly growing and today it is met almost entirely by fossil fuels. The excessive use of these non-renewable energy sources is causing their rapid depletion, a problem flanked by high emissions of greenhouse gases. The search for alternative fuels with low environmental impact can therefore no longer be postponed. The use of hydrogen in internal combustion engines is one of the most interesting alternatives to decarbonize the road transport sector, especially heavy-duty vehicles, for which electrification is made difficult by the high costs of electric batteries. The first part of this work describes the current hydrogen production methods, the possible vehicle on-board storage technologies and the characteristics of the infrastructure necessary for the distribution of the fuel to the end user. Subsequently, the use of hydrogen in internal combustion engines is dealt with more specifically, describing its properties as a fuel, abnormal combustion phenomena and the related changes necessary for the conversion of a conventional engine. Afterwards, the state-of-the-art of hydrogen internal combustion engines is presented. The second part of this work describes the numerical modelling of a single-cylinder, port-fuel injection, hydrogen engine for heavy-duty vehicles application. The engine was reproduced within the Gasdyn software, a numerical simulation tool capable of performing one-dimensional thermo-fluid dynamic analysis of internal combustion engines. The numerical model was validated with respect to the experimental data through the correct reproduction of the combustion process. Subsequently, knock development, an abnormal combustion phenomenon to which hydrogen engines are particularly sensitive, in full load operating conditions was analyzed.

La domanda energetica globale è in continua crescita e ad oggi viene soddisfatta quasi interamente dai combustibili fossili. L’utilizzo smisurato di queste fonti energetiche non rinnovabili ne sta provocando il loro rapido esaurimento, problematica affiancata dalle elevate emissioni di gas ad effetto serra. La ricerca di combustibili alternativi a basso impatto ambientale non può quindi più essere posticipata. L’utilizzo dell’idrogeno nei motori a combustione interna è una delle alternative maggiormente interessanti per de-carbonizzare il settore del trasporto su strada, soprattutto i veicoli pesanti, per i quali l’elettrificazione è resa difficile dagli elevati costi delle batterie elettriche. Nella prima parte di questo lavoro vengono descritti gli attuali metodi di produzione dell’idrogeno, le possibili tecnologie di stoccaggio a bordo dei veicoli e le caratteristiche dell’infrastruttura necessaria per la distribuzione del combustibile fino all’utilizzatore finale. In seguito, viene affrontato più nello specifico l’utilizzo dell’idrogeno nei motori a combustione interna, descrivendone le proprietà come combustibile, i fenomeni di combustione anomala e le relative modifiche necessarie per la conversione di un motore convenzionale. Successivamente viene presentato lo stato dell’arte dei motori a combustione interna a idrogeno. Nella seconda parte di questo lavoro viene invece descritta la modellazione numerica di un motore monocilindrico a idrogeno a iniezione indiretta utilizzabile nei veicoli pesanti. Il motore è stato riprodotto all’interno del software di simulazione numerica Gasdyn, uno strumento in grado di svolgere analisi termo-fluido dinamiche monodimensionali di motori a combustione interna. Il modello numerico è stato validato rispetto ai dati sperimentali attraverso la corretta riproduzione del processo di combustione. Successivamente è stato analizzato lo sviluppo del battito in testa (knock), fenomeno di combustione anomala al quale i motori a idrogeno sono particolarmente sensibili, in condizioni di funzionamento a pieno carico.