1D Numerical modelling of single-cylinder hydrogen internal combustion engines

This master thesis describes the experimental analysis carried out on two distinct single-cylinder spark-ignition engines. Both engines feature port fuel injection of gaseous hydrogen. The numerical simulations have been performed using GASDYN, a software developed by the Internal Combustion Engine Group at the Department of Energy Engineering of Politecnico di Milano. The research conducted in this study represents a contribution towards verifying the ability of the software to accurately describe the behaviour of hydrogen-fuelled internal combustion engines. Recently, a significant enhancement has been introduced for the evaluation of the laminar flame speed, which is a crucial parameter to accurately describe the combustion process of hydrogen-air mixtures. In particular, the validity range of the Tabulated Kinetic approach used for its estimation has been expanded. This allows for a reliable description of operating conditions characterized by extremely lean mixtures. The accuracy of the simulations has been extensively tested by comparing the computed values with experimental data from both single-cylinder engines. The results obtained show a satisfying agreement between the two sets of data, indicating that the simulations are reliable and accurate. The relevance of this study lies within a bigger framework characterized by the urgent priority to achieve the decarbonisation goals in the transport sector. The results indicate that hydrogen has the potential to be a worthy alternative fuel, without requiring massive changes in an already vastly used technology.

Questo lavoro di tesi descrive l'analisi sperimentale condotta su due motori monocilindrici ad accensione comandata. Entrambi i motori sono dotati di un sistema di iniezione indiretta di idrogeno gassoso. Le simulazioni numeriche sono state eseguite utilizzando GASDYN, un software sviluppato dall'Internal Combustion Engine Group del Dipartimento di Ingegneria Energetica del Politecnico di Milano. Questo elaborato rappresenta un contributo alla verifica dell'abilità del software di descrivere accuratamente il funzio-namento di motori a combustione interna alimentati a idrogeno. Recentemente è stato introdotto un miglioramento significativo per il calcolo della velocità laminare di fiamma, che costituisce un parametro fondamentale per descrivere accuratamente il processo di combustione delle miscele idrogeno-aria. In particolare, è stato ampliato l'intervallo di validità dell'approccio tabulato basato sulla cinetica chimica utilizzato per il calcolo. Questo consente una descrizione accurata di condizioni operative caratterizzate da miscele estremamente magre. L'accuratezza delle simulazioni è stata verificata confrontando i valori calcolati con i dati sperimentali per entrambi i motori monocilindrici. I risultati ottenuti mostrano una consistenza soddisfacente tra le due serie di dati, indicando che le simulazioni sono attendibili e accurate. L'importanza di questo studio si colloca in un contesto più ampio, caratterizzato dall'urgenza di raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione nel settore dei trasporti. I risultati indicano che l'idrogeno ha le potenzialità per essere una valida soluzione come carburante per motori a combustione interna, senza la necessità di cambiamenti sostanziali in una tecnologia già ampiamente utilizzata.