Riassunto analitico
L'alimentazione a idrogeno rappresenta un approccio promettente per migliorare l'efficienza termica dei motori a accensione comandata e ridurre le emissioni inquinanti. Questo studio indaga il suo potenziale utilizzo come combustibile per motori PFI naturally aspirated ad alte prestazioni, confrontandolo con iso-ottano e un surrogato di benzina ad alte prestazioni attraverso analisi zero-dimensionali e tridimensionali. Una sfida chiave nell'uso dell'idrogeno in condizioni stechiometriche e ad alto carico è l'insorgenza di accensioni spontanee della miscela. L'analisi zero-dimensionale iniziale rivela che, sebbene il tempo di ritardo all'accensione dell'idrogeno sia significativamente più lungo rispetto alla benzina convenzionale, indicando una maggiore resistenza al knock, questo vantaggio si riduce sotto compressione. Le proprietà uniche dell'idrogeno lo portano a raggiungere condizioni di pressione e temperatura più critiche rispetto ad altri combustibili, riducendo la sua resistenza al knock. Tuttavia, questo svantaggio è mitigato dalla maggiore velocità di combustione dell'idrogeno, che riduce il tempo di esposizione della miscela a condizioni critiche. Per convalidare questi risultati, sono state eseguite analisi CFD tridimensionali, incorporando complessità come la fase di aspirazione e la turbolenza. È stata stabilita una fasatura ottimale della combustione con MFB50 a 12° aTDC per entrambi i combustibili, e per l'idrogeno è stato determinato l'anticipo di accensione (SA) che fornisce la coppia massima (MBT). È stata condotta un'analisi comparativa di due modelli di combustione, ECFM3Z e CCTFC, per trarre conclusioni in assenza di dati sperimentali. Il confronto delle prestazioni ha indicato una perdita del 17% in IMEP per l'idrogeno a causa del suo minor contenuto energetico, risultato delle proprietà del fluido e del metodo di iniezione utilizzato. Nonostante ciò, è stato osservato un aumento dell'efficienza termica di circa 0.03 punti. Lo studio ha anche esplorato l'impatto dei punti caldi nella camera di combustione sulle prestazioni complessive della combustione, identificando le soglie di temperatura massime per i componenti soggetti a stress termico. L'assetto della simulazione, da trasferire poi nelle simulazioni in cilindro, è stato inizialmente validato utilizzando dati sperimentali sulla propensità dell'idrogeno ad auto-accendere tramite superfici calde in un vessel semplificato, con cinetica chimica di dettaglio. I risultati hanno dimostrato la maggiore sensibilità dell'idrogeno alle superfici calde a causa della sua bassa energia di accensione e del maggiore trasferimento di calore alle pareti che induce. È stato trovato che i motori alimentati a idrogeno trasferiscono circa il 30% di calore in più alle pareti, il che, se si traducesse interamente in un aumento della temperatura superficiale, potrebbe avvicinarsi alla temperatura di accensione della miscela in zone stagnanti vicino alla valvola di scarico.
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Abstract
Hydrogen fuelling represents a promising approach to enhance the thermal efficiency of spark ignition engines and reduce pollutant emissions. This study investigates its potential application as a fuel for high-performance PFI naturally aspirated engines, comparing it with iso-octane and a high-performance gasoline surrogate through zero-dimensional and three-dimensional analyses. A key challenge in using hydrogen under stoichiometric conditions and high-load regimes is the occurrence of spontaneous ignition of the mixture. Initial zero-dimensional analysis reveals that, although hydrogen's ignition delay time is significantly longer than that of conventional gasoline, indicating higher resistance to knock, this advantage diminishes under compression. Hydrogen's unique properties cause it to reach more critical pressure-temperature conditions compared to other fuels, reducing its knock resistance. However, this drawback is mitigated by hydrogen's faster combustion speed, which shortens the exposure time of the mixture to critical conditions. To validate these findings, three-dimensional CFD analyses were performed, incorporating complexities such as the intake phase and turbulence. Optimal combustion phasing with MFB50 at 12° aTDC was established for both fuels, and for hydrogen, the spark advance (SA) providing maximum brake torque (MBT) was determined. A comparative analysis of two combustion models, ECFM3Z and CCTFC, was conducted to derive conclusions in the absence of experimental data. The performance comparison indicated a 17% loss in IMEP for hydrogen due to its lower energy content, a result of its fluid properties and the injection method used. Despite this, an increase in thermal efficiency by approximately 0.03 points was observed. The study also explored the impact of hotspots in the combustion chamber on overall combustion performance, identifying the maximum temperature thresholds for components subject to thermal stress. The simulation setup to be than transferred into in-cylinder simulations, was firstly validated using experimental data on hydrogen ignitability via hot surfaces in a simplified vessel, with detailed chemical kinetics. The results demonstrated hydrogen's heightened sensitivity to hot surfaces due to its low ignition energy and the increased wall heat transfer it induces. Hydrogen-fuelled engines were found to transfer about 30% more heat to the walls, which, if resulting entirely in surface temperature rises, could approach the ignition temperature of the mixture in stagnant zones near the exhaust valve.
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