I sistemi energetici basati sull’idrogeno possono contribuire a risolvere importanti problemi legati all’inquinamento; solo il fatto che i mezzi di trasporto siano infatti responsabili del 25%

Introduzione

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I sistemi energetici basati sull’idrogeno possono contribuire a risolvere importanti problemi legati all’inquinamento; solo il fatto che i mezzi di trasporto siano infatti responsabili del 25%

dei gas serra rilasciati nell’atmosfera rappresenta un motivo già di per sé sufficiente perché ci si adoperi per tecnologie atte ad utilizzare proprio l’idrogeno per la generazione di potenza propulsiva. Altro obiettivo particolarmente importante che in questi ultimi anni sta assumendo una rilevante importanza è quello di cercare di ridurre l’utilizzo di combustibili fossili, che rappresentano una fonte energetica destinata ad esaurirsi. In questo quadro si collocano due diverse tecnologie di impiego dell’idrogeno: una prevede l’utilizzo delle cosiddette “Fuel Cell” (celle a combustibile) in combinazione con dei motori elettrici, mentre una seconda prevede l’impiego di motori a combustione interna direttamente alimentati ad idrogeno in sostituzione totale o parziale dei combustibili convenzionali di derivazione fossile. Le Fuel Cell sono da considerarsi sicuramente la tecnica più nobile ed efficiente per l’utilizzo dell’idrogeno, tuttavia tale sistema richiede ancora una lunga fase di sviluppo per poterla considerare una tecnologia vantaggiosa sia da un punto di vista tecnico (a causa dei problemi derivanti da ingombri e masse del sistema) che economico. I motori a combustione interna invece costituiscono una soluzione complessivamente più conveniente, almeno in tempi brevi.

A testimoniarlo ci sono gli sforzi e l’impegno in questo campo di aziende di rilevanza mondiale come BMW, GM e Toyota.

L’idrogeno presenta alcune caratteristiche chimico-fisiche uniche che permetterebbero, qualora lo si utilizzasse nei motori a combustione intera ad accensione comandata, di operare non solo con emissioni praticamente nulle di gas serra, ma anche con rendimenti particolarmente elevati. L’ampio intervallo di infiammabilità e l’assai elevata velocità di fiamma consentirebbero infatti, di controllare il motore ai carichi medio-bassi senza alcuna parzializzazione (come nei motori Diesel) favorendone quindi il rendimento. Tuttavia, l’elevata velocità di fiamma rappresenta al contempo uno dei principali ostacoli all’uso dell’idrogeno nei motori a CI; infatti, con miscele stechiometriche o quasi, dà luogo a una combustione eccessivamente veloce causando un eccessivo stress termomeccanico del

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motore. Inoltre, la bassa energia d’innesco potrebbe provocare preaccensioni. Diversamente dai combustibili fossili, che sono al contempo fonti primarie e vettori di energia, l’idrogeno deve essere prodotto non essendo reperibile in natura; produzione che deve avvenire in modo pulito ed economicamente accettabile sempre e comunque a partire da una fonte energetica primaria.

Lo stoccaggio a bordo rappresenta una delle principali difficoltà a cui far fronte: infatti a causa della bassissima densità presenta il più basso contenuto energetico per unità di volume.

Tali problematiche evidenziano la necessità di ulteriori studi affinchè l’idrogeno possa divenire un’alternativa concreta a un sistema di trasporto basato sui combustibili fossili.

Gli studi, sia sperimentali che numerici, condotti fino ad oggi hanno preso in esame motori dotati di sistemi, più o meno evoluti, di alimentazione ad iniezione indiretta oppure ad iniezione diretta ad alta pressione. Se l’iniezione diretta consente di bypassare numerosi problemi legati all’iniezione indiretta, essa presenta anche delle difficoltà.

In questo scenario si colloca il presente lavoro di tesi focalizzato sullo sviluppo di un innovativo sistema di iniezione diretta di idrogeno operante a bassa pressione ideato e sviluppato presso il Dipartimento di Energetica “L. Poggi” della Facoltà di Ingegneria di Pisa sotto la supervisione del Prof. Ing. Roberto Gentili e finanziato dalla Regione Toscana.

Questo particolare sistema di iniezione diretta suddivide l’iniezione in due stadi successivi. Il primo stadio consiste in un’iniezione di idrogeno mediante un normale elettroiniettore in un serbatoietto esterno al motore, mentre il secondo stadio, controllato da una valvola a fungo, le cui dimensioni consentono appunto di lavorare a basse pressioni, costituisce l’iniezione vera e propria. Tale sistema consente di ottenere sia un’elevata potenza specifica (peculiarità dell’iniezione diretta) che la possibilità di utilizzare l’idrogeno contenuto nella bombole fino a pressioni residue di stoccaggio molto basse aumentando l’autonomia del veicolo. Le due principali problematiche che interessano i sistemi ad iniezione diretta di idrogeno e che si intendono evitare con l’adozione di questo particolare sistema sono rappresentate dalla:

1. impossibilità di realizzare iniettori elettroattuati, che forniscano la portata volumetrica (molto elevata a causa della bassissima densità specifica dell’idrogeno) necessaria agli alti carichi nel breve lasso di tempo utilizzabile per l’iniezione e che non permettano trafilamenti (la molecola dell’idrogeno è molto piccola, si dovrebbero perciò adottare tolleranze meccaniche molto ristrette e precisione elevata);

2. necessità di utilizzare elevati livelli di pressione (≈50 bar) per iniettare la quantità necessaria di combustibile, aspetto che limita fortemente l’autonomia di un veicolo ad

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idrogeno causa la necessità di mantenere una pressione residua di stoccaggio a valori relativamente elevati.

La ricerca condotta in questi mesi ha interessato lo studio numerico CFD di un prototipo basato su un motore monocilindrico di 650 cm

a 5 valvole di derivazione motociclistica, in cui una delle tre valvole di aspirazione è rimpiazzata da quella per l’iniezione dell’idrogeno.

Precedenti lavori di tesi hanno permesso di ottenere i dati sperimentali (in collaborazione con la ditta EDI di Pontedera) sulle condizioni di funzionamento del motore e le prime indicazioni in linea di massima su ciò che ci si può aspettare con l’adozione del nuovo sistema di iniezione da impiegare sul prototipo; inoltre sono state anche definite il profilo della camma relativa alla valvola centrale adibita all’iniezione dell’idrogeno e le lavorazioni da effettuare sulla testa. In questo lavoro, invece, sarà analizzato l’efflusso dell’idrogeno attraverso la valvola di immissione in camera di combustione e come esso si evolve per verificare il miscelamento del combustibile con l’aria ai fini di ottenere una miscela idonea alla combustione; l’attività si dividerà in tre fasi: una prima fase riguarderà lo studio della miscelazione sul motore reale in due configurazioni di carico e regime di rotazione, una seconda riguarda lo studio approfondito di flussaggi dalla valvola reale considerando alcuni dettagli geometrici presenti sulla sede valvola, ed una terza che riguarda ancora prove di flussaggi ma con geometrie di sedi-valvole differenti dove la soluzione migliore sarà sottoposta ad ulteriori prove modificando il profilo della testata nonché delle modalità di raccordo tra sede e testata.

Ciascun capitolo descrive e analizza in sequenza cronologica i vari passaggi compiuti durante il lavoro effettuato, che sono:

• Modellazione CAD delle valvole e sedi valvole impiegate con il rispettivo dominio di calcolo (modelli 2D per lo studio dei flussaggi);

• Processo di generazione delle mesh sui modelli in esame;

• Implementazione e calibrazione dei modelli mediante Fire;

• Studio numerico CFD del motore Rotax con la geometria in allestimento al banco prova;

• Studio numerico CFD riguardante dettagli geometrici della sede valvola, diversi profili di sede-valvola e della testata.

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