BANDO PRIN 2022D. D. N. 104 DEL 2 FEBBRAIO 2022

TITOLO DEL PROGETTO: Digital Twin Technology for the Development of LP-DI Hydrogen engine for heavy-duty applications (DHYCE-HD)

CODICE CUP: D53D23004150006

Budget Politecnico di Bari: € 148.702

Responsabile U.R. : Prof. Pietro De Palma

Altre Unità di Ricerca: Politecnico di Milano (Prof. Gianluca D’Errico)

Breve descrizione del progetto

Il progetto DHYCE-HD (Digital Twin Technology for the Development of LP-DI Hydrogen Engine for Heavy-Duty Applications) è stato concepito per accelerare la transizione verso sistemi di propulsione a emissioni zero, attraverso la realizzazione di un avanzato framework numerico dedicato ai motori a combustione interna alimentati a idrogeno.

Il progetto è articolato in distinti Work Package (WP) che hanno favorito la collaborazione tra i due gruppi di ricerca del Politecnico di Milano e del Politecnico di Bari. Il gruppo del PoliMI è principalmente responsabile dello sviluppo di un approccio numerico affidabile, che costituirà la struttura portante del Digital Twin. Le attività di ricerca si sono concentrate sull’evoluzione e sull’integrazione di strumenti avanzati di simulazione 1D e CFD 3D, in particolare i codici Gasdyn e LibICE. Tali strumenti sono stati potenziati per affrontare le peculiari e complesse caratteristiche della combustione dell’idrogeno, quali l’elevatissima velocità di fiamma, la bassa energia di accensione e l’ampio intervallo di infiammabilità.

Il Politecncio di Bari è responsabile dell’implementazione di metodi numerici non oscillatori (WENO). Questi schemi ad alto ordine di accuratezza sono fondamentali per catturare onde d’urto complesse e discontinuità tipiche dei getti di idrogeno ad alta velocità, migliorando in modo significativo la robustezza e la precisione delle simulazioni.

L’attività di ricerca principale consiste nello studio parallelo di un motore heavy-duty equipaggiato con iniezione diretta di idrogeno (H₂-DI). Tale analisi è condotta su diversi punti operativi, confrontando approcci di modellazione consolidati con i nuovi metodi sviluppati. Infine, l’intero framework numerico è sottoposto a un rigoroso processo di validazione mediante dati sperimentali disponibili in letteratura, al fine di garantire che le capacità predittive della piattaforma DHYCE-HD siano accurate e affidabili per applicazioni industriali.

Obiettivi

1. Identificazione dei principali vantaggi e svantaggi di un motore a idrogeno low-pressure-direct injection (LP-DI) per applicazioni heavy-duty.

2. Rafforzamento del know-how relativo alla tecnologia dei motori a idrogeno, con particolare riferimento a: a) i complessi processi fisici dell’iniezione diretta di idrogeno nei motori e della successiva formazione della miscela; b) gli effetti della pressione e della portata di iniezione dell’H₂, nonché della posizione e della geometria dell’iniettore, sull’efficienza del motore e sulle emissioni; c) la combustione turbolenta di miscele premiscelate aria-idrogeno, incluse condizioni stratificate, con la definizione del limite di combustione magra e del rischio di knocking; d) la formazione degli ossidi di azoto all’interno del cilindro e le strategie per la loro minimizzazione;

3. Sviluppo di metodologie CFD rapide e accurate, da applicare ai motori a idrogeno ad iniezione diretta (DI), basate su tecnologie open source accessibili a future attività di ricerca;

4. Definizione di una configurazione virtuale di motore LP-DI a idrogeno per applicazioni heavy-duty, caratterizzata da elevata efficienza e basse emissioni di NOx.

Principali risultati attesi:

1. Redazione di un rapporto aggiornato sullo stato dell’arte relativo all’utilizzo dell’idrogeno come combustibile nei motori a combustione interna;

2. Definizione di correlazioni per la velocità di combustione laminare da impiegare in codici CFD e modelli 1D;

3. Acquisizione di conoscenze sugli aspetti fondamentali dell’iniezione, della miscelazione e della combustione dell’idrogeno, inclusa la valutazione di schemi numerici ad alta accuratezza;

4. Definizione di una metodologia numerica accurata specificamente sviluppata per motori LP-DI a idrogeno;

5. Valutazione delle prestazioni, dei consumi di combustibile e delle emissioni di un motore virtuale LP-DI a idrogeno turbocompresso e ottimizzato, in condizioni di funzionamento sia stazionarie sia transitorie;

6. Valutazione dell’influenza dell’istante di inizio dell’iniezione e dell’anticipo di accensione sulla pre-accensione e sulle emissioni di NOx in condizioni di combustione magra;

7. Definizione di un digital twin della camera di combustione di un motore LP-DI a idrogeno, dimostrando la fattibilità di prestazioni di rottura in termini di efficienza ed emissioni utilizzando un combustibile a zero emissioni di carbonio;

8. Produzione di informazioni tecniche dettagliate per la realizzazione di un motore a idrogeno “verde”, con rilevanti ricadute economiche e sociali nei settori della mobilità e dell’energia in Europa e in Italia, nel contesto della transizione ecologica verso un’economia sostenibile.

Risultati ottenuti

Risultati significativi sono stati conseguiti dall’unità di ricerca (RU) del Politecnico di Bari, che ha sviluppato e validato metodologie numeriche ad alta fedeltà per l’iniezione e la miscelazione dell’idrogeno. In particolare, l’implementazione di schemi WENO ad alto ordine ha consentito una risoluzione accurata di getti di idrogeno sottoespansi, catturando strutture d’urto complesse, instabilità del getto di idrogeno e dinamiche di miscelazione con una precisione superiore rispetto agli schemi convenzionali. Tali sviluppi rappresentano un avanzamento rilevante nell’affrontare una delle principali criticità dei motori a idrogeno ad iniezione diretta, ossia la rapida ed efficiente miscelazione aria-combustibile in condizioni di flusso altamente comprimibile.

Parallelamente, sono state sviluppate correlazioni analitiche per la velocità di combustione laminare e approcci cinetici tabellati per l’autoaccensione, fornendo modelli robusti ed efficienti dal punto di vista computazionale per la previsione della combustione e del knocking sia in simulazioni 1D sia 3D.

Il framework numerico validato è stato esteso a simulazioni CFD tridimensionali dell’intero ciclo motore. È stata inoltre sviluppata e validata una metodologia affidabile di accoppiamento 1D–3D, confrontata con dati sperimentali relativi a un motore alimentato a idrogeno, dimostrando la capacità di riprodurre accuratamente l’evoluzione della pressione in camera, le strutture di flusso e le caratteristiche della turbolenza. Sono state inoltre condotte analisi dettagliate dei processi di formazione della miscela e di combustione per configurazioni alimentate a idrogeno.

La metodologia WENO è stata applicata con successo a simulazioni 3D complete del motore a combustione interna considerato. Sono state analizzate tre condizioni operative, caratterizzate da differenti istanti di inizio iniezione dell’idrogeno (SOI = 540, 630 e 660 CAD) a pressione di iniezione costante. Questa attività ha consentito una valutazione diretta dell’impatto degli schemi numerici ad alto ordine sulla previsione dei fenomeni di iniezione, miscelazione ed evoluzione del flusso in camera in condizioni realistiche di funzionamento del motore. I risultati hanno confermato la maggiore capacità degli approcci basati su WENO nel catturare gradienti marcati, interazioni tra onde d’urto ed effetti di stratificazione, migliorando così l’affidabilità predittiva delle simulazioni CFD e contribuendo direttamente allo sviluppo di un digital twin ad alta fedeltà.

Nel complesso, tali risultati forniscono una solida base scientifica e tecnologica per sviluppi futuri nel campo dei motori a combustione interna a idrogeno e contribuiscono all’avanzamento delle tecnologie di propulsione a zero emissioni di carbonio per il settore heavy-duty.