Studio Numerico-Sperimentale di Motori Alimentati a Miscele di Gas Naturale ed Idrogeno

La politica per la riduzione dell’inquinamento ambientale dei trasporti prevede l’utilizzo di idrogeno per le favorevoli caratteristiche di efficienza di conversione energetica e le relative emissioni. Nonostante l’impiego più efficiente e pulito preveda l’utilizzo di idrogeno puro in celle a combustibile, l’elevato costo di tecnologie ancora non mature e parallelamente la necessità di disporre di infrastrutture per la produzione, lo stoccaggio e la distribuzione dell’idrogeno, relegano questo tipo di implementazione ad una visione a lungo termine. Sono pertanto previsti degli scenari a breve-medio termine che permettano di sperimentare concept innovativi abbinati a tecnologie di consolidata affidabilità e costo ridotto. L’introduzione di una limitata quantità di idrogeno in motori a combustione interna originariamente concepiti per l’alimentazione a gas naturale, può rappresentare in questo contesto una soluzione per l’introduzione del vettore idrogeno nel contesto cittadino, finalizzata a promuovere l’installazione di apposite infrastrutture di produzione, stoccaggio e distribuzione. La sostituzione di una piccola percentuale (5-30% in volume) di gas naturale con idrogeno consente di ottenere un processo di combustione più efficiente e veloce, e pertanto minori emissioni di HC, CO e CO2 ed un aumento degli NOX, potenzialmente contenibile attraverso una strategia di regolazione a carica magra. Nel contesto del progetto Europeo BONG-HY (Blends Of Natural Gas – HYdrogen), è stata portata avanti una campagna di test su un veicolo commerciale alimentato a gas naturale presso il Centro Ricerche La Casaccia (ENEA). L’obiettivo principale del progetto, che coinvolge diversi partner (ASM BRESCIA e Università Cattolica di Brescia, Università di Roma “La Sapienza” e “Tor Vergata”), consiste nell’analisi ed implementazione di strategie di controllo del motore a carica magra per la contemporanea riduzione delle emissioni di CO2 ed ottimizzazione delle emissioni delle specie inquinanti regolamentate, in particolare degli NOX. Nella presente memoria pertanto si illustrano i principali risultati ottenuti in questo contesto. Dato che la variazione delle prestazioni del motore dipende fortemente dalle modalità di evoluzione del processo di combustione, si è optato per un approccio misto numerico-sperimentale. In particolare, la termofluidodinamica all’interno della camera di combustione è stata studiata mediante un modello 3D perchè caratterizzato da elevato grado di dettaglio, e notevole affidabilità predittiva. Il modello motore è stato implementato nel contesto del codice KIVA-3V, opportunamente modificato, specialmente per quanto riguarda la rappresentazione del processo di combustione turbolenta basata su un modello flamelet (CFM, Coherent Flame Model) riformulato per l’applicazione a miscele di combustibili. L’applicazione del modello ha consentito di individuare l’effetto della variazione dei parametri di controllo del motore (principalmente l’anticipo all’accensione) a supporto delle attività sperimentali, consentendo, come atteso, una riduzione delle emissioni di CO2 accompagnato da emissioni di NOX sostanzialmente invariate.