Riassunto analitico
L'idrogeno può svolgere un ruolo chiave nell'attuale sforzo globale per la decarbonizzazione dell'approvvigionamento energetico. Il suo potenziale come combustibile sostenibile per i motori a combustione interna rappresenta una via promettente per mitigare le emissioni a base carboniosa nel settore dei trasporti da una prospettiva tank-to-wheel. In questa tesi di laurea viene esaminata l'iniezione diretta ad alta pressione di idrogeno in un motore ad accensione per compressione heavy-duty, attraverso simulazioni CFD ed impiegando dati sperimentali preesistenti come riferimento. L'idrogeno viene iniettato in camera di combustione ad alta pressione vicino al TDC dopo un'iniezione pilota di diesel, necessaria per innescare la combustione dell'idrogeno a causa della sua elevata temperatura di autoaccensione. Il software CONVERGE CFD è stato utlizzato per le simulazioni CFD. Nel modello CFD di partenza impiegato in questo progetto, è stato utilizzato un profilo di portata trapezoidale come condizione al bordo per l'idrogeno. Diversi parametri sono stati calibrati per ottenere un accordo soddisfacente tra simulazioni CFD e dati sperimentali. Tuttavia, tale modello fallisce nel predire l'influenza della pressione in camera di combustione sulla portata di idrogeno, limitando notevolmente la sua adozione nella modellazione di diversi punti di funzionamento del motore. Pertanto, l'obiettivo di questa tesi di laurea è migliorare la modellazione dell'iniezione di idrogeno. A tal proposito, nelle simulazioni CFD verrà inclusa la geometria dell'iniettore in modo da simulare il flusso di idrogeno al suo interno e accoppiarlo al processo di combustione nel motore. A questo scopo, verrà imposto un profilo di alzata per la needle valve e una condizione al bordo sulla pressione di iniezione a monte della needle valve, piuttosto che un profilo di portata. La simulazione congiunta del flusso all'interno del motore e dell'iniettore permette di predire l'effettiva influenza della pressione in camera di combustione sulla portata di idrogeno. È stato ottenuto un accordo soddisfacente tra simulazioni CFD e dati sperimentali, sebbene si osservi una discrepanza in termini di apparent RoHR, il cui andamento risulta fortemente dipendente dalla portata variabile di idrogeno. Includere l'iniettore nelle simulazioni di combustione del motore porta ad una migliore predizione delle caratteristiche fisiche dell'iniezione. Il profilo di alzata per la needle valve svolge un ruolo chiave nella modellazione dell'iniezione di idrogeno, poiché è necessario che venga accuratamente calibrato per replicare i dati sperimentali. La forma del profilo di alzata durante l'apertura e la chiusura della needle valve è determinata dal bilancio tra la pressione di iniezione e la pressione in camera di combustione. Pertanto, si suggerisce lo sviluppo di un modello monodimensionale dell'iniettore per aumentare l'accuratezza delle condizioni al bordo da usare nelle simulazioni di combustione del motore.
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Abstract
From a tank-to-wheel perspective, hydrogen can play a crucial role to decarbonise the energy supply in the transportation sector. Hydrogen high pressure direct injection (HPDI) in a heavy-duty compression ignition engine is investigated by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations using preexisting experimental data as benchmark. In this concept, hydrogen is directly injected at high pressure close to top dead center (TDC), after a pilot diesel injection, which is needed to trigger hydrogen combustion due to its high auto-ignition temperature. CONVERGE CFD solver is used to perform CFD simulations. In the initial CFD model employed in this work, a trapezoidal mass flow rate (MFR) is used as hydrogen flow boundary condition and calibrated in order to achieve a good match between CFD simulations and experiments. However, this model is not successful in predicting the dependence of hydrogen MFR on the in-cylinder conditions, posing challenges in using such a method to model different engine operating points where no experimental data are available. Therefore, the main aim of this thesis is to improve the hydrogen injection modelling throughout the resolution of the in-nozzle flow and the inclusion of the needle valve movement in engine combustion simulations. Therefore, rail pressure and needle lift profile are specified as boundary conditions, rather than a MFR profile. As expected, the more advanced CFD model, which couples the gas injector model with the engine model, predicts the hydrogen MFR reliance on the in-cylinder pressure. A good match with experimental data is achieved, although a discrepancy in peak apparent rate of heat release (RoHR) is observed. The computed apparent RoHR is dependent on the trend of hydrogen MFR during the combustion process after TDC. Enhanced prediction of the physical features of the hydrogen injection process is achieved, even though more complexity is implemented. A prominent role in hydrogen injection modelling is played by the needle lift profile, where tuning is required to achieve a good comparison with experiments. The shape of the needle lift profile at opening and closing is ruled by the balance between rail pressure and chamber pressure, hence the varying in-cylinder conditions have a strong effect on the needle lift profile. Therefore, 1D injector model should be developed in order to generate more accurate boundary conditions that can be used in engine simulations.
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