Riassunto analitico
Il settore automobilistico sta attualmente affrontando un'era di trasformazione senza precedenti,
principalmente a causa dell'aumento della domanda di riduzione delle emissioni di gas a effetto
serra, in particolare di CO2; i governi di tutto il mondo hanno introdotto normative sempre più
stringenti per ridurre le emissioni di CO2 dai veicoli commerciali pesanti. In questo contesto, i
motori a combustione interna a idrogeno sono emersi come un'alternativa promettente. Questa
tecnologia offre il vantaggio di sfruttare le piattaforme esistenti dei motori a combustione interna
con adattamenti relativamente minori necessari per modificare i sistemi attuali per l'utilizzo
dell'idrogeno. Nonostante la combustione di idrogeno non produca CO2 come prodotto della
combustione, porta anche alla formazione di ossidi di azoto, principalmente a causa delle alte
temperature di combustione che l'idrogeno può raggiungere in un motore a combustione interna.
Tuttavia, questo problema può essere mitigato mediante l'adozione di opportune strategie di
combustione combinate all’utilizzo di sistemi post-trattamento già esistenti e largamente utilizzati
per i motori diesel che aiutano a limitare le emissioni di NOx. Se da un lato la combustione
dell'idrogeno presenta delle sfide, come quelle legate alla sua bassa densità energetica
volumetrica (grandezza chiave per una macchina volumetrica), dall’altro la tecnologia offre una
migliore efficienza termica rispetto ai combustibili convenzionali e costi complessivi del sistema
inferiori rispetto ai veicoli elettrici a batteria e ai veicoli elettrici a celle a combustibile. Nei motori a
combustione interna a idrogeno, sono comuni sia i sistemi di iniezione indiretta che quelli di
iniezione diretta. L'iniezione indiretta, sebbene più semplice, è meno adatta per l'idrogeno poiché questo è
soggetto a ritorno di fiamma nel condotto di aspirazione e fatica a massimizzare l'uscita di potenza
a causa della bassa densità energetica volumetrica del combustibile. Al contrario, i sistemi di iniezione diretta
offrono un miglior controllo sulla miscela carburante-aria e consentono una maggiore efficienza e
uscita di potenza.
L'oggetto di studio di questo lavoro di tesi è un iniettore di Dumarey Flowmotion per applicazioni a iniezione diretta
la cui la progettazione dell'ugello e del cappuccio è in una fase di apprendimento iniziale; pertanto,
Dumarey ha condotto studi in collaborazione con R&D CFD utilizzando un iniettore prototipale, che
deriva da un iniettore piezoelettrico per benzina opportunamente riprogettato, al fine di utilizzare
l’idrogeno come carburante iniettato. In questo contesto le simulazioni CFD 3D si sono dimostrate
un ottimo strumento d’ausilio agli esperimenti nella guida alla prototipazione e soprattutto in grado
di cogliere dettagli del getto altrimenti inaccessibili. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è di elaborare
una metodologia, a partire da quella già sviluppata da R&D CFD per le simulazioni transitorie, per
svolgere simulazioni 3D-CFD stazionarie sull’iniettore prototipale, con lo scopo di determinare se
ed in che misura è possibile cogliere le caratteristiche del getto emerse dal precedente studio.
Questa metodologia risulterebbe uno strumento rapido e snello per effettuare delle analisi
preliminari per la prototipazione dell'iniettore, nonché per valutazioni in condizioni di regime
consolidato. Infine, quanto appreso dallo sviluppo di questa metodologia è stato utilizzato in ottica
di miglioramento dei risultati della simulazione transitoria del precedente studio nella
configurazione di iniettore con cappuccio insieme a diverse analisi di sensibilità.
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Abstract
The automotive sector is currently undergoing an unprecedented transformation, primarily driven by the increasing demand for greenhouse gas emissions reduction, particularly CO₂. Governments worldwide have introduced increasingly stringent regulations to curb CO₂ emissions from heavy-duty vehicles. In this context, hydrogen internal combustion engines have emerged as a promising alternative. This technology offers the advantage of leveraging existing internal combustion engine platforms, requiring only relatively minor adaptations to modify current systems for hydrogen use.
Although hydrogen combustion does not produce CO₂ as a combustion byproduct, it does lead to the formation of nitrogen oxides, mainly due to the high combustion temperatures that hydrogen can reach in an internal combustion engine. However, this issue can be mitigated through appropriate combustion strategies combined with the use of post-treatment systems already widely adopted in diesel engines to limit NOx emissions. While hydrogen combustion presents some challenges—such as those related to its low volumetric energy density (a key parameter for a volumetric machine)—it also offers higher thermal efficiency compared to conventional fuels and lower overall system costs than battery-electric and fuel cell electric vehicles.
In hydrogen internal combustion engines, both port fuel injection (PFI) and direct injection (DI) systems are commonly used. While PFI is simpler, it is less suitable for hydrogen due to its susceptibility to backfire in the intake manifold and its inability to maximize power output due to hydrogen’s low volumetric energy density. Conversely, direct injection systems offer better control over the air-fuel mixture, enabling higher efficiency and power output.
This thesis focuses on a Dumarey Flowmotion injector designed for direct injection applications. The nozzle and cap design of this injector are still in an early learning phase. Consequently, Dumarey has conducted studies in collaboration with R&D CFD using a prototype injector—derived from a redesigned piezoelectric gasoline injector—to adapt it for hydrogen injection. In this context, 3D-CFD simulations have proven to be an excellent tool to support experiments, guiding the prototyping process and capturing jet details that would otherwise be inaccessible.
The objective of this thesis is to develop a methodology, based on the transient simulation framework already established by R&D CFD, to perform steady-state 3D-CFD simulations of the prototype injector. The goal is to assess whether and to what extent the jet characteristics observed in the previous study can be captured. This methodology would serve as a fast and simple tool for conducting preliminary analyses for injector prototyping, as well as for evaluating the injector’s performance under steady-state conditions. Finally, the insights gained from the development of this methodology were used to improve the results of the transient simulation from the previous study— in the injector configuration with a cap—alongside various sensitivity analyses.
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