Towards H2 high-performance IC engines: strategies for control and abatement of pollutant emissions

Climate change is forcing our society to bring important changes in various industrial sectors, among which the automotive one plays an important role. Thanks to its outstanding combustion performances and cleanest combustion products, hydrogen is widely considered as one of the best alternatives fuels for internal combustion engines. However, NOx emissions represent the predominant pollutants and their production has to be controlled. In this work different strategies for the control and abatement of pollutant emissions on a H2-fueled high-performance V8 twin turbo 3.9L IC engine are tested. The characterization of pollutant production on a single-cylinder configuration is carried out by means of the 1D code GASDYN, considering lean and homogeneous conditions. The NOx are extremely low in lean conditions with respect to the emissions legislation limits, while the maximum mass flow rate remains below the turbocharger technical constraint limit at λ=1 only. To find a trade-off between the two mixture conditions, three different engine control strategies are simulated, imposing a variation of air-to-fuel ratio from λ=2.3 at low load to λ=1 at high load. Different strategies were considered for the transition between minimum and maximum values, including continuous sweep and instantaneous discontinuity. A maximum in the NOx emissions is detected at λ around 1.1 - 1.2, while they remain low in ultra-lean conditions. However, poor drivability is obtained in correspondence of λ discontinuity. Different ATS configurations are proposed and evaluated on the basis of the state-of-the-art technologies and their possible development for the particular H2 engine application. The analysis is carried out by means of numerical simulations performed with the 1D code Axisuite, considering the different emission scenarios associated to the particular engine control strategies and the selected driving cycles (WLTP and RDE). In particular, three different ATS lines are designed, named TWC-based, SCR-based and LNT-based, exploiting catalytic devices commonly applied on the current Gasoline/Diesel engines. Potential and drawbacks of each configuration are analysed, considering the requirements in terms of engine control strategies, complexity of the solution, operative temperature, technological challenges and limitation in particular phases of the driving cycle (e.g. cold start or sudden accelerations).

Il cambiamento climatico sta obbligando la nostra società ad apportare grandi modifiche in diversi settori industriali, tra i quali quello dell’automotive gioca un ruolo fondamentale. Grazie alle sue eccezionali prestazioni di combustione e ai prodotti di combustione tra i più puliti, l’idrogeno è largamente considerato come una delle migliori alternative per i combustibili dei motori a combustione interna. Tuttavia, le emissioni di NOx sono i principali inquinanti ottenuti durante la combustione e la loro produzione deve essere controllata. In questo lavoro di tesi vengono testate diverse strategie per il controllo e l’abbattimento delle emissioni inquinanti per un motore a combustione interna V8 twin turbo da 3.9L ad alte prestazioni, alimentato ad idrogeno. All’interno del codice 1D GASDYN viene caratterizzata la produzione degli inquinanti per una configurazione a mono-cilindro, considerando condizioni di miscela magra ed omogenea. Gli NOx prodotti sono estremamente bassi in condizione di miscela magra, se paragonati con i limiti di legge, mentre la portata massica processata si mantiene al di sotto del vincolo tecnico imposto dal turbocompressore solo in condizione di λ=1. Per trovare un trade-off tra le due miscele, vengono simulate tre diverse strategie di controllo per il motore, imponendo una variazione del rapporto aria-combustibile tra λ=2.3 a basso carico e λ=1 a carico elevato. Vengono considerate diverse strategie per la transizione tra il valore minimo e massimo, tra cui una transizione continua e una discontinuità istantanea. Per valori di λ attorno a 1.1 - 1.2 si riscontra un picco nella formazione degli NOx, mentre questi rimangono contenuti in condizioni di miscela ultra magra. In corrispondenza della discontinuità di λ si ottiene una scarsa guidabilità. Vengono poi proposte e valutate diverse configurazioni ATS sulla base delle tecnologie allo stato dell’arte, considerando il loro possibile sviluppo per l’applicazione su motori ad idrogeno. L’analisi condotta è basata su simulazioni numeriche svolte con il codice commerciale 1D Axisuite, sulla base dei diversi scenari di emissioni ottenuti per ogni strategia di controllo motore e per il particolare ciclo guida scelto (WLTP e RDE). In dettaglio, vengono progettate tre diverse linee ATS, chiamate "TWC-based", "SCR-based" e "LNT-based", sfruttando i catalizzatori normalmente utilizzati sui motori a benzina o Diesel. Vengono analizzati i punti di forza e di debolezza di ogni configurazione simulata, considerando i requisiti dettati dalle strategie di controllo motore, la complessità delle diverse soluzioni, la temperatura operativa, le sfide e i limiti tecnologici per particolari porzioni di un ciclo guida (ad esempio una partenza a freddo o delle accelerazioni improvvise).