L idrogeno nella mobilità sostenibile

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1 L idrogeno nella mobilità sostenibile Risultati della ricerca Dipartimento di Ingegneria Industriale Workshop L idrogeno nella mobilità sostenibile Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria Dip. di Ingegneria Industriale

2 Perugia University Industrial Engineering Department Automotive Group Strumenti Sperimentali e Numerici per la Ricerca - Flow Test Bench - Steady Flow Coefficient - Swirl / Tumble - Dynamic Flow Test Bench - Engine Test Bench - Borghi & Saveri BD 600 SD Eddy Current Brake - Borghi & Saveri BD 250 Eddy Current Brake - Optical Access Engine with AVL Dynamic Brake - Raw Gas Analysis Fisher & Rosemount - Smoke Meter AVL - Galleria del vento - Sezione di prova 2m x 2m - Velocità massima 180 km/h - Codici Numerici - CFD-3D Codes: Star CD, Star CCM+, AVL Fire - CFD-1D Codes: Boost, Hydsim, Amesim - Artificial Intelligence Tools: ANNs, Neuro-Fuzzy 2

3 Perugia University Industrial Engineering Department Automotive Group Le principali collaborazioni di ricerca con Aziende Ducati Corse Ducati Motor Lamborghini Motori Marini Automobili Lamborghini Piaggio Magneti Marelli Powertrain Solfer Componenti 3

4 Dipartimento di Ingegneria Industriale Il Professori e Ricercatori Carlo N. GRIMALDI Francesco MARIANI Michele BATTISTONI Lorenzo SCAPPATICCI Giacomo RISITANO Dottorandi e Borsisti Giovanni DONADIO Claudio POGGIANI Federico LANGARELLI Tecnici di Laboratorio e Sala Prova Fusco CALDERINI Cesare IVAGNES Docenti del hanno promosso, insieme ad ex-allievi, la costituzione dello Spin-Off Accademico En4 Engineering for Energy Environment and Engines Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria 4

5 L idrogeno nella mobilità sostenibile Risultati della ricerca 1. I motori e l idrogeno Prof. Carlo N. Grimaldi 2. Risultati delle campagne sperimentali Ing. Michele Battistoni 3. In diretta dalla Sala Prova Motori Ing. Claudio Poggiani 4. Prospettive di approfondimento fenomenologico Prof. Francesco Mariani Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria 5

6 Proprietà dell idrogeno Potere calorifico e densità 6

7 Proprietà dell idrogeno Infiammabilità 7

8 Proprietà dell idrogeno Velocità di propagazione della fiamma 8

9 Proprietà dell idrogeno Temperatura adiabatica di combustione 9

10 Proprietà dell idrogeno Effetti nei motori a combustione interna Rendimento termodinamico 10

11 Proprietà dell idrogeno Effetti nei motori a combustione interna Ossidi di Azoto (NOx) Operando il motore in condizioni ultra-magre ( φ < 0.5 o λ > 2 ), che è sinonimo di temperature di combustione molto basse, si ha la possibilità di ridurre considerevolmente la formazione di NOx. Potenza sviluppata Prescindendo dai sistemi di abbattimento, vi è in genere un compromesso tra la potenza erogata dal motore (che tende a scendere con l aumentare del livello di smagrimento) e la riduzione dei NOx (che scendono quanto più si opera in magro). 11

12 Diffusione dei veicoli alimentati ad idrogeno Difficoltà Idrogeno Puro - rete distributori - rendimento globale - costi tecnologia Prospettive Idro-Metano - rete distributori metano - contenimento emissioni - riduzione costi 12

13 L idrogeno nella mobilità sostenibile Risultati della ricerca 1. I motori e l idrogeno Prof. Carlo N. Grimaldi 2. Risultati delle campagne sperimentali Ing. Michele Battistoni 3. In diretta dalla Sala Prova Motori Ing. Claudio Poggiani 4. Prospettive di approfondimento fenomenologico Prof. Francesco Mariani Workshop L idrogeno nella mobilità sostenibile Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria Dip. di Ingegneria Industriale

14 Testing in laboratorio Il motore IVECO 2800 cc 4 cil Motore al banco Alesaggio (mm) 94,4 Corsa (mm) 100 Rapporto di Compressione 12,2:2 Cilindrata (cc) 2800 Alimentazione Aria Alimentazione Carburante Aspirato Indiretta, Multi-Point, Sequenziale, Fasata Coppia max rpm) 2200 Potenza max rpm)

15 Setup sprimentale CH4 CH4-H2 (max 35% by vol.) motore ECU Marelli - EFI 15

16 Coppia e potenza massime 250 coppia (corretta SAE J1349) 200 Nm CH4_100% H2_20% H2_35% rpm 16

17 Coppia e potenza massime 80 potenza (corretta SAE J1349) kw CH4_100% H2_20% H2_35% rpm 17

18 Mappe base: 12 x 10 punti Consumo specifico [g/kwh] 18

19 Mappe base: 12 x 10 punti NOx [ppm] 19

20 Punto a carico parziale Funzionamento a 2000 rpm; 4,5 bar di pme Corrispondenti a circa 100 Nm di coppia erogata e 21 kw di potenza erogata a 2000 rpm Veicolo a circa 70 km/h 20

21 Risultati a carico parziale Nei motori ad accensione comandata Funzionamento in magro: perché? 1. Minor perdite di pompaggio al crescere di λ 2. Maggior lavoro di espansione (fluido a più alto γ) al crescere di λ 3. Riduzione NOx per minori T Limite allo smagrimento: accendibilità dispersione ciclica costo after-treatment in condizioni magre 21

22 Funzionamento a 2000 rpm; 4,5 bar di pme Risultati a carico parziale Consumo specifico [g/kwh] consumo specifico CH4_100% H2_20% H2_35% Potenziale riduzione del 10 % g/kwh lambda fumi 22

23 Risultati a carico parziale Funzionamento a 2000 rpm; 4,5 bar di pme CO2 [%] CO2 CH4_100% H2_20% H2_35% 9 Riduzione CO2 per ovvi motivi legati al maggior rapporto H/C % lambda fumi 23

24 Risultati delle prove sperimentali Funzionamento a 2000 rpm; 4,5 bar di pme NOx [ppm] CH4_100% H2_20% H2_35% ppm CH4_100% H2_20% H2_35% ppm lambda fumi lambda fumi 24

25 L idrogeno nella mobilità sostenibile Risultati della ricerca 1. I motori e l idrogeno Prof. Carlo N. Grimaldi 2. Risultati delle campagne sperimentali Ing. Michele Battistoni 3. In diretta dalla Sala Prova Motori Ing. Claudio Poggiani 4. Prospettive di approfondimento fenomenologico Prof. Francesco Mariani Workshop L idrogeno nella mobilità sostenibile Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria Dip. di Ingegneria Industriale

26 Risultati delle prove sperimentali Funzionamento a 2000 rpm; 4,5 bar di pme NOx [ppm] CH4_100% H2_20% H2_35% ppm CH4_100% H2_20% H2_35% ppm lambda fumi lambda fumi 26

27 L idrogeno nella mobilità sostenibile Risultati della ricerca 1. I motori e l idrogeno Prof. Carlo N. Grimaldi 2. Risultati delle campagne sperimentali Ing. Michele Battistoni 3. In diretta dalla Sala Prova Motori Ing. Claudio Poggiani 4. Prospettive di approfondimento fenomenologico Prof. Francesco Mariani Workshop L idrogeno nella mobilità sostenibile Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria Dip. di Ingegneria Industriale

28 Analisi Termofluidodinamica CFD-3D Le fasi dell attività Reverse engineering (CAD), dei modelli geometrici reali: condotti e testa motore; Discretizzazione spaziale (mesh); Setup dei modelli fisico matematici; La simulazione; Il Postprocessing ; Workshop L idrogeno nella mobilità sostenibile Giovedì 24 Maggio, Facoltà di Ingegneria Dip. di Ingegneria Industriale

29 Collettore del motore in esame (1) 29

30 Collettore del motore in esame (2) 30

31 Esempio di Mesh Volumetrica 31

32 Attività di Postprocessing - Simulazione Motore SPRAY (port injected) WALL-FILM 32 32

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