Studio della combustione su un motore light duty alimentato in modalità dual-fuel diesel/H₂

Dal 2020, il comparto della mobilità ha attraversato una trasformazione profonda spinta dalle regolamentazioni finalizzate a contenere le emissioni climalteranti. L'Unione Europea ha individuato nella mobilità elettrica lo strumento prioritario per eliminare le emissioni di carbonio dal traffico su strada. Ciononostante, il passaggio verso una diffusione capillare di questa tecnologia presenta complessità e necessita di interventi coordinati per armonizzare misure di sostegno economico, sviluppo delle infrastrutture di rifornimento energetico e potenziamento delle reti di distribuzione elettrica [1]. Parallelamente, gli esperti del settore valutano come alternativa percorribile l'implementazione di propulsori a doppia alimentazione (DF), con particolare riferimento ai motori a ciclo Diesel (CI). Questa soluzione tecnica, basata sull'impiego simultaneo di due carburanti, consente di ottenere livelli prestazionali equivalenti a quelli dei motori convenzionali alimentati esclusivamente con combustibili di origine fossile. Il sistema DF si fonda sull'utilizzo del gasolio come innesco per la combustione di un secondo carburante caratterizzato da minore intensità carbonica, o del tutto privo di carbonio come l'idrogeno. Quest'ultimo costituisce un portatore di energia a zero emissioni di carbonio con proprietà peculiari: numero di ottano elevato (130, superiore rispetto a gas naturale e benzina), elevata energia specifica, rapida velocità di propagazione della fiamma e ridotta densità [2], caratteristiche che favoriscono una distribuzione omogenea nella camera di scoppio e un possibile incremento del rendimento di combustione. Molteplici ricerche scientifiche si concentrano attualmente sull'analisi della combustione dell'idrogeno nei motori CI. La ricerca di Tsujimura et al. [3] su motore monocilindrico modificato mostra che a bassi carichi l'idrogeno premiscelato è troppo magro causando inefficienza, mentre a carichi elevati (0,7-0,9 MPa) con frazioni di idrogeno superiori al 50% si ottiene un miglioramento dell'efficienza termica del 5%, con l'idrogeno che riduce significativamente le emissioni di CO₂ e particolato, con modesto aumento di NOx. Lo studio di Guan et al. [4] analizza un sistema innovativo H₂DF per veicoli commerciali pesanti come soluzione di retrofit non invasivo, mostrando che con contributo energetico dell'idrogeno tra 10-30%, il sistema presenta riduzione delle emissioni di CO₂ del 10-35% mantenendo prestazioni energetiche stabili; tuttavia, emergono criticità come aumento di monossido di carbonio e particolato carbonioso a carichi elevati. La ricerca sulla gestione del tempo d'iniezione del gasolio condotta su motore monocilindrico da 3,5 kW con diverse percentuali di sostituzione dell'idrogeno (20% e 40%) dimostra che con 20% di idrogeno e iniezione ritardata si ottiene efficienza superiore del 10% rispetto al solo diesel; nello stesso studio hanno evidenziato che utilizzando idrogeno le emissioni di NOx variano con il carico aumentando ai carichi elevati ma riducendosi ai bassi carichi. Lo studio di Szwaja et al. [5] esamina l'uso dell'idrogeno in motore CI sia in modalità HCCI che in co-combustione con diesel, evidenziando che l'idrogeno puro richiede rapporti di compressione di almeno 16 ma genera instabilità, mentre in co-combustione piccole quantità di idrogeno (5%) riducono il ritardo di accensione del diesel e fino al 16% può essere aggiunto senza causare detonazione. L’analisi condotta in questo studio riguarda l’approfondimento delle conoscenze della combustione dual fuel su un motore di piccola taglia o ciò che è lo stesso motore light duty.