A 3D-CFD investigation into the retrofit of a high-performance spark-ignition engine from gasoline to hydrogen

The decarbonization of the transportation sector requires alternative energy carriers capable of reducing greenhouse gas emissions while improving engine efficiency. Hydrogen is a promising solution due to its carbon-free combustion and favourable properties. This thesis investigates the conversion of a spark-ignition gasoline engine to hydrogen operation, assessing performance, combustion, and efficiency under different operating conditions. The study is based on 3D-CFD simulations of both the gas exchange and power cycle of a twin-turbocharged V6 engine, performed with OpenFOAM software coupled with Lib-ICE, a library developed for internal combustion engine simulations by Politecnico di Milano. The engine model is supported by 1D simulation data used to validate the 3D approach at maximum torque and maximum power conditions. After validation, gasoline is replaced by hydrogen, and simulations are carried out for stoichiometric and lean (λ = 2) port fuel injection (PFI) cases at maximum power. The hydrogen combustion model is calibrated using a second engine of similar displacement, for which experimental hydrogen data provided by the Università di Firenze were available. This allowed proper definition of the hydrogen combustion setup, particularly for lean mixtures where diffusive-thermal instabilities are relevant. Results show that hydrogen operation significantly improves efficiency, mainly due to faster combustion and reduced peak temperature compared to gasoline. However, a reduction in maximum power is observed, primarily due to the use of gaseous PFI, which decreases volumetric efficiency and limits the trapped fuel energy. Finally, preliminary gaseous hydrogen direct injection (DI) simulations indicate a marked improvement in performance, significantly reducing the volumetric efficiency and power deficits with respect to the gasoline configuration.

La decarbonizzazione del settore dei trasporti richiede lo sviluppo di combustibili alternativi in grado di ridurre le emissioni di gas serra migliorando al contempo l’efficienza dei motori a combustione interna. In questo contesto, l’idrogeno rappresenta una soluzione promettente grazie alla combustione priva di carbonio e alle sue proprietà favorevoli. La presente tesi analizza la conversione di un motore a benzina ad accensione comandata all’alimentazione a idrogeno, valutandone prestazioni, caratteristiche di combustione ed efficienza in diverse condizioni operative. Lo studio si basa su simulazioni 3D-CFD del processo di ricambio fluido e del ciclo di potenza di un motore V6 biturbo ad alte prestazioni, eseguite sul software OpenFOAM accoppiato alla libreria Lib-ICE sviluppata dal Politecnico di Milano. Il modello numerico è supportato da dati 1D utilizzati per verificare la consistenza del modello 3D ai punti di massima coppia e massima potenza. Dopo la validazione, la benzina viene sostituita con idrogeno e vengono eseguite simulazioni per miscele stechiometriche e magre (λ = 2) in iniezione indiretta (PFI) al punto di massima potenza. La calibrazione del modello di combustione dell’idrogeno è effettuata tramite un secondo motore di cilindrata comparabile, per il quale erano disponibili dati sperimentali forniti dall’Università di Firenze. Questo ha permesso di definire correttamente il setup combustivo a idrogeno, in particolare per miscele magre soggette a instabilità termo-diffusive. I risultati mostrano un incremento significativo dell’efficienza con l’idrogeno, dovuto principalmente alla maggiore velocità di combustione e alla minore temperatura di picco raggiunta rispetto alla benzina. Tuttavia, si osserva una riduzione della potenza massima, attribuibile principalmente all’iniezione indiretta gassosa, che penalizza il rendimento volumetrico limitando la massa di combustibile introducibile. Infine, sono state effettuate simulazioni preliminari su iniezione diretta di idrogeno, che hanno evidenziato un miglioramento significativo delle prestazioni, riducendo il deficit di efficienza volumetrica e prestazioni rispetto alla configurazione a benzina.