E’ ormai noto che l’uso dell’idrogeno come combustibile nei motori a combustione interna (Internal Combustion Engines, ICE) può oggi essere considerato una tecnologia sostenibile e molto promettente, anche in abbinamento alla tecnologia ibrida.
Infatti, negli ultimi anni vari costruttori hanno studiato il potenziale della combustione dell’idrogeno, con buoni risultati in termini di durata, efficienza, compatibilità e sicurezza di funzionamento.
Ora si apprestano a commercializzare i primi frutti di questi sviluppi.
Il gruppo PUNCH è tra questi attori di primo piano nella nascente tecnologia dell’ICE ad idrogeno, come documentato da diversi articoli pubblicati negli ultimi anni ad importanti congressi, simposi e riviste internazionali per descrivere i risultati tecnici raggiunti [1-5].
Partendo da tale esperienza, nel presente articolo siamo lieti di presentarvi il nostro generatore di elettricità ibrido alimentato ad idrogeno.
Ci fa doppiamente piacere questa opportunità, perché è la testimonianza di due idee in cui crediamo molto:
- la prima è quella appunto del motore ad idrogeno come tecnologia commerciale innovativa e sostenibile, che infatti ha già trovato il suo primo cliente nella prestigiosa società inglese John F Hunt;
- la seconda è quella del trasferimento tecnologico continuo tra R&D e prodotto, che qui trova la sua declinazione nella tecnologia ibrida ‘KERS’ (“Kinetic Energy Recovery System”) di PUNCH Flybrid, che è parte del generatore.
La tecnologia PUNCH Flybrid, sviluppata inizialmente per il mondo delle corse (è stata inizialmente pensata per la F1 e poi usata con successo nella 24h di ‘Le Mans’ del 2010 sul motore ibrido più potente al mondo), trova ora una sua applicazione commerciale che dà un notevole contributo alla sostenibilità ed alla decarbonizzazione della nostra società: una bella dimostrazione di come il motorsport sia ancora una fucina di innovazione per la vita di tutti noi!
In particolare, la Figura 1 illustra i veicoli in cui il sistema PUNCH Flybrid è stato utilizzato nel motorsport. Il sistema è costituito da un volano ad elevata velocità collegato ad un motogeneratore elettrico per immettere ed estrarre energia dall’accumulatore cinetico.
Tale sistema è stato poi evoluto, e dal puro motorsport, è passato ad applicazioni di mobilità urbana per trasporto di persone e merci, sia di piccola taglia come le automobili sia di grande taglia, come gli autobus urbani (Figura 2).
In particolare, nel caso dell’autobus urbano, l’elevata affidabilità e potenza del sistema sviluppata nel mondo delle corse, si è rivelata particolarmente adatta per via della missione dell’autobus caratterizzata da frequenti accelerazioni e decelerazioni, ripetute per numerose ore al giorno.
Tuttavia, le applicazioni del PUNCH Flybrid non si sono fermate qui, ed il sistema si è ora evoluto per nuove applicazioni industriali e commerciali.
Come già descritto nel numero di Giugno 2022 di Autotecnica, dal quale alcune immagini di questo articolo sono tratte, il sistema PUNCH Flybrid in combinazione con l’ICE alimentato a idrogeno puro (‘mono-fuel’) oppure idrogeno-Diesel (‘dual-fuel’) si presta molto bene per applicazioni dinamiche, tra cui i generatori di elettricità (in inglese chiamati ‘GenSet’) di taglia media e grande, come quelli utilizzati nell’industria delle costruzioni, dello spettacolo e del commercio.
Questo campo di applicazione è caratterizzato da un ambiente particolarmente ‘difficile’, e dalla necessità di fornire un’estrema affidabilità nel motore stesso e nell’alimentazione del carburante.
In questo contesto, può essere di interesse la possibilità di utilizzare l’idrogeno-Diesel ‘dual-fuel’ in combinazione con il sistema PUNCH Flybrid di recupero cinetico dell’energia (‘KERS’), come punto di equilibrio tra l’affidabilità dell’approvvigionamento di carburante (il diesel può essere utilizzato come combustibile di riserva) e gli obiettivi di decarbonizzazione, raggiungendo interessanti livelli di riduzione della CO2.
La tecnologia PUNCH Flybrid ‘KERS’ è altresì utile per migliorare le prestazioni dell’ICE ad idrogeno: è stata perfezionata dal gruppo di Silverstone nel corso degli anni per ottenere una proposta unica di densità di potenza, efficienza, durata e sicurezza (Figura 3).
Architettura e design del motore ad idrogeno
La Figura 4 illustra la prima applicazione commerciale risultante da questo sforzo, ovvero il motore V8 6.6ℓ Hydrogen Port Fuel Injection (H2-PFI) per GenSet (a sinistra).
Il lato destro della stessa figura ritrae il GenSet sviluppato in collaborazione da PUNCH e TecnoGen, recentemente presentato al Bauma Show di Monaco (24-30 ottobre 2022).
Come menzionato nell’introduzione, alcuni dei punti di forza della tecnologia H2 ICE sono l’uso delle competenze esistenti nell’intera catena di approvvigionamento del ICE, il rapido time-to-market e l’applicazione relativamente semplice alle architetture standard dei veicoli.
In questo caso specifico, infatti, solo il 20% dei componenti del motore è stato riprogettato o modificato rispetto alla versione Diesel.
La Figura 5 mostra il motore H2 V8 6.6ℓ PFI per applicazioni GenSet, evidenziando (in blu) i componenti specifici – modificati o aggiunti – per la conversione ad idrogeno.
Le modifiche chiave del motore di base Diesel sono brevemente descritte di seguito:
1. Sistema di iniezione & collettore aspirazione: per la soluzione PFI il collettore di aspirazione è stato modificato per ospitare due iniettori H2 per cilindro. I collettori sono stati realizzati utilizzando il processo additive manufacturing.
2. Accensione: la candela e la relativa bobina di accensione hanno sostituito l’iniettore Diesel. La testata è stata modificata per avere la sporgenza ottimale della candela nella testa del cilindro ed il raffreddamento più efficace. Il sistema di accensione è stato ottimizzato per avere la stabilità di combustione richiesta e per evitare eventuali anomalie di combustione. Sono state effettuate numerose parametrizzazioni di candele e bobine, per identificare la configurazione hardware ottimale.
3. Sovralimentazione: il turbocompressore è stato selezionato e progettato per raggiungere i valori di Lambda richiesti per la combustione magra per controllare l’emissione di NOx e per avere elevato rendimento. La fasatura delle valvole di aspirazione e scarico ha fatto parte dell’ottimizzazione.
4. Pistone ed anelli pistone: il rapporto di compressione, la forma della camera di combustione (a ‘tazza’) ed il design del pistone sono elementi chiave per raggiungere il livello di potenza richiesto senza anomalie di combustione. Gli anelli pistone sono stati ottimizzati per ridurre il blow-by con lo stesso fine.
5. Olio motore e lubrificazione: è stata condotta un’ampia campagna di test per selezionare le specifiche dell’olio appropriate per prevenire anomalie di combustione e per la compatibilità richiesta con la combustione H2 in termini di resistenza all’acqua.
Il sistema di lubrificazione è stato perfezionato per evitare l’eccesso di olio nella camera di combustione senza introdurre alcuna limitazione di potenza e affidabilità.
Il layout originale del motore Diesel ha rappresentato una base favorevole per il progetto H2.
Infatti, un pistone Diesel ha un’altezza di compressione abbastanza generosa (misurata dall’alto del pistone all’asse del foro del pistone, di solito in un intervallo del 50-55% del diametro del foro del cilindro) che è originariamente progettato per sopportare gli elevati carichi generati dalla pressione di picco della combustione Diesel.
All’interno di questo volume, è stato trovato lo spazio per diversi concept delle camere di combustione, consentendo comunque di mantenere valori di spessore di parete sufficienti dalla galleria di raffreddamento dell’olio e dalle scanalature dell’anello per garantire una struttura del pistone complessivamente affidabile (Figura 6).
Nel dettaglio, in una prima fase è stata progettata una parte superiore del pistone abbastanza piatta con solo una leggera vasca semi-ellissoidale, con l’obiettivo di realizzare una notevole riduzione del rapporto di compressione (CR) del motore, aumentando al contempo l’altezza di compressione. Questo primo design ha mostrato alcuni limiti dovuti alla contaminazione con olio della carica derivante dalle fasce elastiche, innescando a sua volta anomalie di combustione come il ritorno di fiamma e il battito in testa (‘knock’). Inoltre, per limitare il più possibile la tendenza alla detonazione ad alta velocità, la necessità di un’ulteriore riduzione del CR e di una migliore omogeneità di carica all’interno del cilindro è stata messa in luce da questo primo ‘concept’ testato.
Pertanto, è stata progettata una seconda forma della camera: in essa, l’altezza complessiva del pistone è stata aumentata portando ad una riduzione periferica dell’altezza di compressione.
Inoltre, la porzione centrale del pistone è stata lavorata in profondità ottenendo così una camera di combustione a forma di “coppa” con un rapporto volume/compressione più elevato rispetto alla prima versione.
È stato progettato un sistema di iniezione completamente nuovo, per sostituire quello di iniezione Diesel di base. Poiché è stata selezionata un’architettura PFI, sono stati utilizzati iniettori PFI simili a quelli per CNG, alimentati lateralmente, opportunamente modificati per renderli adatti all’uso con l’idrogeno: le principali modifiche riguardano i materiali interni, per evitare problemi di compatibilità con l’idrogeno di elastomeri e metalli, e la dimensione dell’orifizio, poiché l’idrogeno ha un volume specifico più elevato rispetto al CNG.
Il rail di distribuzione del carburante e le sedi degli iniettori sono stati integrati nei collettori di aspirazione, sfruttando il potenziale della tecnologia di stampa 3D (additive manufacturing).
Come verrà descritto più dettagliatamente nel seguito di questo articolo, la corretta miscelazione tra aria e combustibile è fondamentale per le prestazioni e la stabilità della combustione di un motore a idrogeno PFI: per questo motivo, i canali di iniezione dell’idrogeno che guidano il gas verso la camera di combustione sono stati progettati attraverso molteplici cicli di analisi e test al fine di ottenere la migliore efficienza volumetrica e le migliori prestazioni di miscelazione.
A tal proposito, i tubi sono stati progettati per incanalare l’idrogeno dall’uscita degli iniettori fino al punto più vicino possibile alle valvole di aspirazione (Figura 7).
Inoltre, nel sistema PFI, è importante garantire che il carburante H2 sia ben distribuito all’interno del collettore di aspirazione.
Infatti, una miscelazione non uniforme può causare diverse anomalie di combustione, tra cui accensione errata, battito, preaccensione e ritorno di fiamma. Ciò è dovuto al fatto che l’H2 può bruciare efficacemente solo all’interno di una specifica finestra di lambda (rapporto aria/combustibile), che – pur essendo ampia rispetto ad altri combustibili – è comunque limitata sia sul lato leggermente magro che su quello molto magro.
Valori di lambda troppo “alti” causano accensioni errate a causa della mancanza di reattività e, al contrario, valori lambda troppo “bassi” causano detonazione (o addirittura preaccensione) a causa dell’eccessiva reattività della miscela.
Il ritorno di fiamma infatti è causato anche dal fatto che l’H2, introdotto all’interno del cilindro, entra in contatto con eventuali punti caldi; in questo caso, l’H2 si accende e brucia prima che la valvola di aspirazione venga chiusa, causando un improvviso aumento della pressione nel collettore di aspirazione e un flusso inverso di massa in tutti i condotti di aspirazione e le tubazioni fino al filtro dell’aria.
La rumorosità e la mancanza di coppia sono tra le conseguenze del fenomeno di cui sopra, ma il riflusso dell’aria significa anche che l’aria fresca si riduce nei cicli di combustione successivi, causando preaccensione e ‘mega-knock’ in diversi cilindri durante i cicli successivi (funzionando a bassa lambda), in un fenomeno autoeccitante che è molto invadente per il buon funzionamento del motore e persino per la sua sicurezza.
Concludiamo questo paragrafo con un commento sulla pressione ottimale del combustibile nel ‘rail’ di distribuzione, che è un altro parametro importante di sistema: deve essere infatti abbastanza grande da garantire di raggiungere la potenza target, ma anche sufficientemente piccola da consentire una buona gestione del minimo.
Per gli iniettori selezionati, la pressione del ‘rail’ deve essere nell’intervallo tra 100kPa_rel e 800kPa_rel rispettivamente al minimo e in condizioni di pieno carico.
Sfortunatamente, i regolatori di pressione standard aumentano la pressione del ‘rail’ proporzionalmente alla pressione del collettore di aspirazione, e quindi non sono in grado di garantire la flessibilità di regolazione desiderata.
Sono state studiate diverse soluzioni per superare la limitazione sopra descritta (booster di pressione, rigidità della molla di regolazione), ma la scelta migliore è stata infine quella di utilizzare un regolatore di pressione attivo (elettronico), grazie alla sua flessibilità operativa.
La tecnologia della bobina di accensione e della candela utilizzate sul motore a idrogeno è concettualmente derivata dalle applicazioni benzina/GPL/Metano ad accensione comandata, ma con alcuni specifici e importanti adattamenti necessari per gestire correttamente l’accensione dell’H2-ICE, evitando eventi di combustione anomali.
La candela adottata (Figura 8) presenta un elettrodo centrale con uno specifico traferro, la cui punta è allineata con la faccia inferiore del corpo utilizzata come elettrodo di terra.
Inoltre, la candela è stata ottimizzata per ottenere una elevata dissipazione del calore, realizzando un design “molto freddo” (nel gergo delle candele).
Il posizionamento della candela nella camera di combustione è stato ottimizzato al fine di ottenere la massima efficienza su due fattori principali: il rilascio dell’energia minima necessaria per accendere la miscela idrogeno/aria magra e la capacità della candela di mantenere i suoi elettrodi e il suo corpo il più freddo possibile.
L’esperienza in questa applicazione dimostra che sia la posizione delle candele, sia il loro grado termico ultra-freddo sono necessari per eliminare i punti caldi nella camera di combustione e potenziali preaccensioni non intenzionali.
La bobina di accensione è stata calibrata e controllata per fornire l’energia corretta e minima necessaria per accendere l’idrogeno in tutte le condizioni operative del motore ed evitare la mancata accensione.
Il controllo della scintilla è stato ottimizzato con una specifica caratteristica in grado di rilasciare rapidamente l’energia accumulata dalla bobina e rimuovere eventuali scintille secondarie, ed in tal modo proteggere il motore da eventuali eventi di combustione anomale, come detonazione, preaccensione e ritorno di fiamma.
Come discusso in precedenza, è stato definito un turbomatching specifico per ogni applicazione.
Il sistema EGR Diesel di base (giallo) è stato mantenuto, poiché le sue prestazioni sono adatte per l’applicazione dell’idrogeno.
Il ritorno di fiamma è uno dei maggiori problemi affrontati durante lo sviluppo del motore e costituisce l’anomalia di combustione più comune nei motori H2-PFI: essa consiste nella combustione indesiderata dell’idrogeno durante la fase di aspirazione dell’aria (valvola di aspirazione aperta).
Molti parametri influenzano il ritorno di fiamma, e uno di questi è l’olio motore utilizzato. Sono stati testati diversi oli, partendo da quello usato per il motore Diesel, passando per una formulazione specifica per motori CNG, per poi selezionare l’olio appositamente sviluppato per H2. A questo proposito, le caratteristiche più importanti dell’olio sono:
. Evitare le basi con glicerina.
. Aumentare il punto di infiammabilità.
. Ridurre la quantità di Calcio
Prestazioni
Lavorando sui parametri del design ed sui componenti precedentemente descritti (candele, bobine di accensione, camera di combustione, distribuzione idrogeno cilindro-cilindro, omogeneità all’interno del cilindro, ottimizzazione SOI e SA, sistema di “blow-by”, fasce elastiche e formulazione olio) è stato possibile raggiungere una potenza massima di oltre 250 kW con l’hardware e la calibrazione ottimizzati (~38kW/l, cioè ~ 10% in meno rispetto al motore Diesel donatore originale).
Questo, basandosi sulla letteratura più recente, è davvero un valore eccellente per un motore con tecnologia H2-PFI derivato da un Diesel di produzione!
Come gli autori hanno già riferito in [5] per quanto riguarda un motore monocilindrico di piccolo alesaggio, anche il motore multicilindrico V8 di alesaggio più grande ha mostrato un compromesso tra il livello di emissioni di NOx a piena potenza e le relative prestazioni corrispondenti (Figura 10).
La coppia di picco (BMEP @ WOT) del motore H2-PFI sviluppato può raggiungere valori notevoli in un’ampia gamma di regimi di rotazione, pienamente competitivi con l’applicazione Diesel di partenza e scevri da qualsiasi anomalia di combustione, e, a sua volta, richiede l’utilizzo della nota tecnologia SCR Ad-blue per il controllo delle emissioni conforme agli standard più severi.
La Figura 11 mostra i principali parametri termodinamici del sistema di combustione ottimizzato, che esplora la più ampia gamma di regimi motore.
La taratura del V8 H2-PFI è stata effettuata con l’obiettivo di massimizzare l’efficienza complessiva entro un dato limite di NOx.
In particolare, la bontà della nuova camera di combustione descritta precedentemente si è manifestata nella libertà di scegliere una fasatura di accensione efficiente senza incorrere in eventi di detonazione.
Inoltre, la combinazione di elevati valori Lambda, per soddisfare i requisiti di NOx e ridurre la reattività della miscela di idrogeno, porta al raggiungimento di una temperatura di scarico all’uscita della turbina adatta ai sistemi di post-trattamento SCR.
È anche interessante notare che l’area di massima efficienza è raggiunta in una vasta area della mappa, facendo ben sperare per il consumo di carburante di tali motori in varie applicazioni.
Integrazione del motore ad idrogeno sul GenSet e conclusioni
Una volta analizzata la conversione del motore ad idrogeno, è molto importante curarne anche la sua integrazione, in particolare per l’applicazione GenSet nella quale la gestione dei transitori riveste un ruolo fondamentale.
Gli obiettivi per il controllo dei transitori sono la stabilità della frequenza di uscita della tensione, che è direttamente legata alla velocità di rotazione del motore, la mitigazione delle emissioni di NOx e il consumo di carburante.
I parametri da controllare sono la sovralimentazione, la posizione della valvola a farfalla, la fasatura dell’iniezione e dell’accensione, con l’obiettivo di ridurre al minimo le variazioni di Lambda.
La Figura 12 mostra un esempio di modalità transitoria sull’applicazione GenSet durante un evento di presa di carico da 8 a 50 kW a regime motore fisso.
Sono state applicate varie compensazioni di anticipo di iniezione e di accensione per gestire l’impatto sulle variazioni di velocità del motore con l’obiettivo di ridurre al minimo le variazioni di regime del motore.
La corretta sintonizzazione dell’anticipo di accensione SA permette di ridurre i tempi di risposta e di ridurre la produzione di NOx durante le manovre transitorie.
Ciò è dovuto al fatto che il posticipo della SA consente di ridurre gli NOx (a causa della minore temperatura di picco durante la combustione) e di aumentare l’energia disponibile alla turbina: questa strategia efficace è indicata nella linea blu come “SA retard”.
Un’altra indagine è stata fatta in relazione alla calibrazione da adottare prima della richiesta di aumento della coppia: chiudere ulteriormente il VGT impostando opportunamente la farfalla motore TVA (“Throttle Valve Actuator”) in modo da ottenere lo stesso flusso di massa del caso precedente “SA retard” nella figura 12: questa seconda strategia è chiamata “Opt. VGT + TVA + SA retard” e, attraverso una crescita del ‘boost’ più rapida, fornisce un ulteriore miglioramento soprattutto nell’emissione di NOx.
In conclusione, il risultato principale di questi test è che la calibrazione in condizioni stazionarie deve tenere conto non solo dei parametri standard (BSFC, emissioni di NOx, rumore di combustione), ma anche delle condizioni in grado di fornire rapidamente al turbocompressore l’energia necessaria per gestire opportunamente i transitori.
Proprio a questo riguardo il sistema PUNCH Flybrid fornisce un valido supporto per le prese di carico del GenSet, riducendo i consumi e fornendo una eccellente stabilità alla velocità di rotazione del motore.
Per raggiungere un risultato di integrazione ottimale il controllo del sistema motore e del Flybrid è stato sviluppato da PUNCH in maniera sinergica, tramite una piattaforma elettronica come illustrato in Figura 14.
In conclusione, il presente articolo riassume le caratteristiche del nuovo motore PUNCH H2 V8 6.6l PFI per applicazioni GenSet, Marine e Off-Highway.
Il motore è stato sviluppato partendo da un motore Diesel di produzione, modificando componenti e sottosistemi chiave rilevanti per ottenere un’eccellente combustione dell’idrogeno in termini di prestazioni, emissioni, efficienza e sicurezza di funzionamento in qualsiasi condizione.
Questo ambizioso obiettivo ha richiesto una completa riprogettazione dei sistemi di iniezione e accensione del carburante, del pistone, modifiche e ottimizzazioni del turbocompressore, dei sistemi di separazione dell’olio, ventilazione e lubrificazione, e del sistema di aspirazione.
I risultati di 38-42 kW/l di potenza specifica (a seconda della strategia impiegata per l’aftertreatment), di una BTE superiore al 40% su un’ampia area di funzionamento, degli NOx in uscita del motore significativamente bassi e di un funzionamento sicuro e affidabile fanno ben sperare per uno sviluppo commerciale di successo nei prossimi anni.
(testi di Alberto Vassallo (PUNCH Torino), Roberto Golisano (PUNCH Hydrocells) – Immagini Punch Torino
Bibliografia
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[2] Vassallo, A., Pesce, F., Millo, F., and Piano, A. 2021. “Ultra-lean Combustion System Optimization for H2-fuelled ICEs via Synergistic Application of 1D- and 3D-CFD.” Proceedings of 2021 SIA Powertrain Congress, Paris.
[3] Vassallo, A., Pesce, F., Scalabrini, S., and Rossi, R. 2021. “PUNCH H2-ICE & Flybrid KERS for decarbonizing off-highway applications.” Proceedings of 30th Aachener Kolloquium, Aachen.
[4] Buzzi, L., Biasin, V., Galante, A., Gessaroli, D. et al. 2022. “Experimental investigation of hydrogen combustion in a single cylinder PFI engine.” Proceedings of 2022 Thiesel Congress, Valencia.
[5] Millo, F., Piano, A., Rolando, L., Accurso, F. et al., “Synergetic Application of Zero-, One-, and Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Approaches for Hydrogen-Fuelled Spark Ignition Engine Simulation,” SAE Int. J. Engines 15(4):2022, https://doi.org/10.4271/03-15-04-0030.
