Riassunto analitico
Oggigiorno, la crescente preoccupazione in materia di tematica ambientale, unita alla necessità di trovare nuove fonti energetiche rinnovabili e sostenibili, mostrano la necessità di indirizzare la ricerca in ambito automotive verso nuove tipologie di combustibili alterativi a basso impatto ambientale: è in questo scenario che l’idrogeno si inserisce come potenziale vettore energetico in grado di rispondere alle necessità di cui sopra.
L’impiego dell’idrogeno nei motori a combustione interna rappresenta una valida alternativa ai combustibili fossili grazie all’ampio limite di infiammabilità
(0.14<λ<10) e all’elevata velocità di fiamma (1.85 m/s in aria) presentati: queste caratteristiche permettono di ottenere una rapida e completa combustione anche per dosature estremamente magre, incrementando notevolmente l’efficienza termica del motore. Di contro, lo scarso contenuto energetico volumetrico dell’idrogeno (presenta infatti una densità di un ordine inferiore ai classici combustibili fossili) impatta negativamente sull’efficienza volumetrica e la conseguente densità di potenza ottenibile.
Quest’ultimo fattore, enfatizzato inoltre dalla bassa energia minima di accensione posseduta, la quale determina problematiche di controllo della fase di combustione, apre gli orizzonti all’impiego di strategie di iniezione diretta per gli H2-ICEs: questo sistema di alimentazione, infatti, alternativo alla Port Fuel Injection (PFI), si dimostra essere la miglior soluzione per sopperire alla perdita di potenza limitando al contempo il rischio di preaccensioni della carica.
La conversione da motore a combustibile fossile a H2-ICE risulta di più facile implementazione scegliendo un’iniezione di tipo PFI: variando il carico motore, infatti, è possibile adottare rapporti aria/combustibile molto magri (usualmente λ ~ 2) in modo da limitare le temperature interno cilindro e raggiungere la condizione di nearly-zero emissions. Così facendo anche i fenomeni di back-fire e pre-accensione degli hot spots, caratteristici di questa architettura, vengono sensibilmente ridotti. La potenza in uscita risulta di contro del 30%-50% inferiore rispetto a un classico motore benzina.
Per applicazioni ad alta potenza specifica risulta quindi essenziale adottare un sistema di iniezione diretta in grado di innalzare il punto di funzionamento a condizioni stechiometriche senza incorrere in accensioni incontrollate della carica: questo risultato si può ottenere ottimizzando la strategia di iniezione e il mixing della carica stessa.
Nel motore in esame si va infatti a implementare un profilo di iniezione con apertura dello spillo immediatamente dopo la chiusura della valvola di aspirazione (SOI= -140 bTDC) e durata di 80° (2ms) a carichi medio-alti (6000 rpm): sfruttando un timing di iniezione relativamente lungo (Early Injection) al fine di ottimizzare il miscelamento andando a permettere al combustibile di diffondersi per un intervallo di tempo maggiore, si possono sfruttare pressioni di iniezione contenute (40 bar) per vincere la contropressione in camera. È così possibile adottare un sistema di iniezione più semplificato rispetto all’High Pressure Direct Injection (o Late Injection strategy).
Per ottimizzare ulteriormente il mixing della carica, una volta fissata la strategia di iniezione precedentemente riportata, è possibile intervenire sulla geometria dell’iniettore stesso andando a predisporre dei cap iniettore multi-foro in grado di reindirizzare il getto nel cilindro e migliorare quindi la diffusione del combustibile.
L’obiettivo di questo elaborato è dunque lo studio di geometrie monoforo e multi-foro opportunamente orientate sia in direzione assiale che in direzione tangenziale in modo da osservarne gli effetti di interazione con i moti interno cilindro e il conseguente risvolto sul mixing aria/combustibile sfruttando il software STAR-CCM+ In-Cylinder Solution.
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Abstract
Today, the growing concern about environmental issues, combined with the urgency to find new renewable and sustainable energy sources, enhance the engineering research towards new types of carbon-free alternative fuels: it is in this scenario that hydrogen represents a potential energy carrier able to meet the needs mentioned above.
Hydrogen fuel supply in internal combustion engines is a viable alternative to fossil fuels due to the large flammability limit (0.14 <λ < 10) and the high flame speed (1.85 m/s in air) presented: these characteristics allow to obtain a fast and complete combustion even for extremely lean mixtures, greatly increasing the engine thermal efficiency. On the other hand, the low hydrogen volumetric energy density (H2 shows a density a order lower than fossil fuels) adversely affects the volumetric efficiency and the resulting power density. This last factor, also enhanced by the low minimum ignition energy, which leads to combustion phase control issues, suggests the Direct Injection strategy for H2-ICEs: this injection system, alternative to Port Fuel Injection (PFI), is intended to be the best solution to compensate the power loss while limiting the risk of pre-ignition.
The conversion from fossil fuel ICE to H2-ICE is easier to implement by choosing a PFI injection system: varying the engine load and adopting extremely lean AFR (usually λ ~ 2) and thus limiting the peak combustion temperatures and reaching nearly-zero emissions conditions. In this way, back-fire phenomena and pre-ignition of the hot spots, characteristic of this injection system, are significantly reduced. The power output is almost halved compared to a classic gasoline engine.
Therefore, for high power density applications it’s essential to adopt a Direct Injection system that can operate at stoichiometric conditions without incurring in pre-ignition events: this can be achieved by optimizing injection strategy and charge mixing.
In fact, the high-power density engine in question adopts an Early Injection Strategy in order obtain a more homogeneous charge distribution: the Start Of Injection is setted at -140 bTDC at medium-high loads (6000 rpm). Adopting a early injection valve timing is possible to optimize the mixing increasing the delta-time available for the fuel diffusion into the combustion chamber, and at the same time reducing the injection pressure (40 bar) which allow to simplify the injection system design.
To achieve a homogeneous distribution, once the previously mentioned injection strategy has been established, it is possible to develop injector cap geometry setting multi-hole configurations: redirecting the jet into the cylinder can improve even more the diffusion of the fuel in the chamber.
The objective of this study is therefore the study of single-hole and multi-hole geometries oriented both in axial and tangential direction to observe the effects of interaction with the internal cylinder motions and the consequent modification of the air/fuel mixing using the software STAR-CCM+ In-Cylinder Solution.
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