Riassunto analitico
Una delle soluzioni più promettenti nell’ottica della decarbonizzazione dei trasporti è senza dubbio l’impiego dell’idrogeno come combustibile. Esso, infatti, presenta dei prodotti di combustione totalmente privi di anidride carbonica, anche se rimane la necessità di controllare le emissioni di NOx tramite opportune strategie di combustione, oppure mediante sistemi di post-trattamento dei gas esausti. È inoltre indispensabile un adattamento strutturale e dei componenti del motore stesso.
Nota dolente è però il fatto che l’idrogeno, al fine di avere una combustione controllata e stabile, richiede delle miscele aria-combustibile molto magre che porta ad una perdita delle prestazioni. Per recuperare questa perdita si può pensare di ricorrere a complessi e ingombranti sistemi per la sovralimentazione, oppure di sfruttare i vantaggi legati al ciclo di funzionamento due-tempi.
Nel lavoro di tesi viene utilizzato il software CFD-1D GT-Power, di Gamma Technologies Inc., uno strumento numerico che permette l'analisi termo-fluidodinamica di power-unit dal sistema di aspirazione sino allo scarico. In particolare, tramite quest’ultimo si è approcciato in primo luogo la conversione di un motore 2.0 L Turbocharged DI-SI da benzina a idrogeno, concentrando l'attenzione sul modello di combustione predittiva denominato SI-Turb.
Dopo aver studiato delle strategie per l’ottimizzazione di power-unit 4T convertite a idrogeno si è passati allo studio preliminare di una soluzione 2-tempi reverse loop: equipaggiata con valvole di aspirazione e scarico. La configurazione scelta è quella di un 3 cilindri 1.2L avente come target 100 kW di potenza alla massima velocità di rotazione pari a 6000 rpm, con emissioni di NOx trascurabili ed elevate efficienze.
L’obiettivo di questo motore è quello di sfruttare un sistema di sovralimentazione a due stadi (turbocompressore VGT + supercharger elettrico) per raggiungere, con dosature magre, alte efficienze globali, attorno al 40%, e combustioni “near-zero emission” con produzione NOx ridotte (attorno ai 20 ppm).
L'ottimizzazione numerica ha coinvolto come parametri l’anticipo, la fasatura delle valvole, il rapporto di trasmissione compressore-motore e il rack della turbina, permettendo di raggiungere i target prestazionali e di emissioni, con un motore molto leggero e compatto (3 cilindri, 1.2 L).
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