Riassunto analitico
Le problematiche ambientali come l'inquinamento atmosferico, il riscaldamento globale e la necessità di affrontare le sfide climatiche sono diventate sempre più urgenti negli ultimi decenni. Il deterioramento delle condizioni climatiche e ambientali, causato principalmente dalle emissioni di gas serra e inquinanti atmosferici, ha gravi conseguenze sulla salute umana e sull'ecosistema. Il riscaldamento globale, provocato principalmente dall'aumento delle emissioni di anidride carbonica, ha portato a cambiamenti climatici significativi, tra cui l'innalzamento delle temperature globali e fenomeni meteorologici estremi sempre più frequenti e intensi. Per affrontare queste sfide, sono stati proposti diversi piani e iniziative a livello globale, regionale e nazionale. Tra questi, il Green Deal europeo è un piano ambizioso dell'Unione Europea per rendere l'Europa climaticamente neutra entro il 2050, riducendo le emissioni di gas serra e promuovendo la transizione verso un'economia più sostenibile e circolare. Il pacchetto legislativo "Fit for 55" è parte integrante di questo piano, con l'obiettivo di ridurre le emissioni del 55% entro il 2030 rispetto ai livelli del 1990. La transizione verso fonti energetiche sostenibili ha pertanto posto l'idrogeno al centro dell'attenzione come potenziale combustibile alternativo nel settore dei trasporti, offrendo diversi vantaggi rispetto ai combustibili convenzionali. La sua combustione, infatti, non produce emissioni di carbonio, posizionandolo come una soluzione chiave nella lotta al cambiamento climatico. La versatilità dell'idrogeno si riflette nella sua capacità di essere utilizzato in vari settori, inclusi il trasporto, l'industria e il riscaldamento, offrendo una soluzione multiuso per la decarbonizzazione. Tuttavia, l'idrogeno presenta anche alcune sfide significative. I costi associati alla sua produzione, specialmente per l'idrogeno verde ottenuto tramite elettrolisi dell'acqua, sono attualmente elevati. L'efficienza energetica del processo di produzione e utilizzo dell'idrogeno può rappresentare un ostacolo, mentre la necessità di sviluppare infrastrutture dedicate per la sua produzione, lo stoccaggio e la distribuzione richiede investimenti considerevoli e tempo. Nel contesto dell'uso nei motori, l'idrogeno solleva diverse problematiche. L'efficienza dei motori a idrogeno, l’affidabilità e la sicurezza nella gestione del combustibile sono aspetti cruciali da considerare.
In questo contesto, lo sviluppo e l’ottimizzazione dei motori alimentati ad H2 riveste un ruolo cruciale per garantire un’adeguata densità di potenza ed un’elevata efficienza. Questa tesi si propone di investigare i processi di iniezione, formazione della miscela e combustione di un motore a 4 tempi alimentato a idrogeno, utilizzando il software di simulazione CFD-3D AVL FIRE M. L'intero studio sarà validato mediante l’uso di dati sperimentali.
Nel seguito di questa tesi, dopo aver introdotto le principali emissioni dei motori Spark Ignition (SI), le caratteristiche e le tecnologie per la produzione dell’H2, ed il suo impiego nei motori a combustione interna, verrà descritto in dettaglio il modello CFD-3D utilizzato per l’analisi numerica del motore in esame. Seguono poi una panoramica sulle specifiche tecniche del motore in esame e l’analisi sui processi di iniezione e formazione della miscela aria-idrogeno, con lo scopo di determinare l’attitudine del combustibile a miscelarsi con l’aria in motori con iniezioni di tipo Port Fuel Injection (PFI). Il lavoro di ricerca si conclude con i processi di validazione del modello di combustione, con l’obiettivo di realizzare un modello 3D robusto e predittivo che favorisca l’implementazione di studi successivi ai fini di una comprensione approfondita dei fenomeni fluidodinamici e termici coinvolti nella combustione dell’idrogeno nei motori a combustione interna.
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Abstract
Environmental issues such as air pollution, global warming and the need to address climate challenges have become increasingly urgent in recent decades. The deterioration of climatic and environmental conditions, caused mainly by emissions of greenhouse gases and air pollutants, has serious consequences on human health and the ecosystem. Global warming, caused primarily by increased carbon dioxide emissions, has led to significant climate changes, including rising global temperatures and increasingly frequent and intense extreme weather phenomena. To address these challenges, several plans and initiatives have been proposed at global, regional and national levels. Among these, the European Green Deal is an ambitious plan by the European Union to make Europe climate neutral by 2050, reducing greenhouse gas emissions and promoting the transition towards a more sustainable and circular economy. The "Fit for 55" legislative package is an integral part of this plan, with the aim of reducing emissions by 55% by 2030 compared to 1990 levels. The transition towards sustainable energy sources has therefore placed hydrogen at the center of the attention as a potential alternative fuel in the transport sector, offering several advantages over conventional fuels. In fact, its combustion does not produce carbon emissions, positioning it as a key solution in the fight against climate change. The versatility of hydrogen is reflected in its ability to be used in various sectors, including transport, industry and heating, offering a multi-purpose solution for decarbonisation. However, hydrogen also presents some significant challenges. The costs associated with its production, especially for green hydrogen obtained through water electrolysis, are currently high. The energy efficiency of the hydrogen production and use process can represent an obstacle, while the need to develop dedicated infrastructure for its production, storage and distribution requires considerable investment and time. In the context of use in engines, hydrogen raises several issues. The efficiency of hydrogen engines, reliability and safety in fuel management are crucial aspects to consider.
In this context, the development and optimization of H2-powered engines plays a crucial role in ensuring adequate power density and high efficiency. This thesis aims to investigate the injection, mixture formation and combustion processes of a hydrogen-fueled 4-stroke engine, using the CFD-3D simulation software AVL FIRE M. The entire study will be validated through the use of data experimental.
In the continuation of this thesis, after having introduced the main emissions of Spark Ignition (SI) engines, the characteristics and technologies for the production of H2, and its use in internal combustion engines, the CFD-model will be described in detail 3D used for the numerical analysis of the engine under consideration. This is then followed by an overview of the technical specifications of the engine in question and the analysis of the injection processes and formation of the air-hydrogen mixture, with the aim of determining the ability of the fuel to mix with air in engines with Port type injections. Fuel Injection (PFI). The research work concludes with the validation processes of the combustion model, with the aim of creating a robust and predictive 3D model that favors the implementation of subsequent studies for the purposes of an in-depth understanding of the fluid dynamic and thermal phenomena involved in combustion of hydrogen in internal combustion engines.
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