0D/1D thermo-fluid dynamic modeling of a hydrogen V6 high-performance engine

The objective of this thesis is the conversion of a high-performance engine to hydrogen operation. The starting point of the study is a 1D GT-Power model of a 2.9 l gasoline twin-turbo V6 engine. The scheme is then transferred to Gasdyn and calibrated against experimental data. Following the validation, an upgraded version named “V6 Evo” is proposed, featuring an increased bore and an updated turbocharger for the actualization of performance to achieve the target of 478 kW at 8000 rpm. Based on the evolved engine, a preliminary study of the hydrogen-converted version is carried out. With the objective of targeting the same performance, utilizing the wide hydrogen flammability range and operating under progressively leaner conditions, it is decided to identify a turbocharger that is capable of providing the required boost pressure and air flow rate. The correct choice of operating conditions is evaluated on the basis of the desired performance while minimizing NOx emissions. The configuration of the hydrogen version guarantees high performance, with a 0-100 km/h acceleration time of 3.05 s and a maximum speed exceeding 300 km/h, while maintaining very low emissions on the WLTP cycle, ensuring compliance with the Euro 7 standard without the need of additional after-treatment systems. This thesis provides insights into the application of 1D modeling for high-performance engines in preliminary fuel system conversion studies, highlighting how this approach provides a clear assessment of the achievable performance and supports the identification of some of the main challenges during the preliminary design phase.

L’obiettivo di questa tesi è la conversione di un motore sportivo ad alte prestazioni all’alimentazione a idrogeno. Il punto di partenza è un modello 1D in GT-Power di un motore benzina V6 bi-turbo da 2,9 l che viene ricostruito in Gasdyn e calibrato sulla base di dati sperimentali. A seguito della validazione, viene proposta una versione potenziata “V6 Evo” con alesaggio maggiorato e aggiornamento del turbocompressore per l’attualizzazione delle prestazioni e il raggiungimento del target di 650 CV a 8000 rpm. Sulla base del motore evoluto si procede allo studio preliminare di una versione convertita per l’alimentazione a idrogeno. Al fine di raggiungere le medesime prestazioni, sfruttando la caratteristica ampiezza dell’intervallo di infiammabilità dell’idrogeno e ricercando condizioni operative di combustione progressivamente più magre, si è scelto di individuare un turbocompressore capace di garantire la pressione e la portata d’aria necessarie alla corretta sovralimentazione. La scelta delle condizioni operative è stata effettuata sulla base delle prestazioni desiderate, cercando al contempo di minimizzare le emissioni di ossidi di azoto. La configurazione del motore ad idrogeno garantisce alte prestazioni, con un tempo di accelerazione da 0 a 100 km/h pari a 3,05 s e una velocità massima oltre i 300 km/h, e al contempo basse emissioni misurate sul ciclo WLTP, garantendo il rispetto della normativa Euro 7 senza l’ausilio di unità di post-trattamento dei gas di scarico. Questa tesi contribuisce a fornire indicazioni sull’applicazione della modellazione 1D a motori ad alte prestazioni di cui si vuole indagare una possibile conversione di alimentazione, evidenziando come tale approccio garantisca una chiara visione sulle prestazioni ottenibili e supporti l’analisi di alcune delle principali criticità durante la fase di progettazione preliminare.