La campagna di calibrazione al banco prova è stata suddivisa in due fasi sequenziali, a partire dal funzionamento a GNC (gas naturale compresso) per stabilire una solida linea di base prestazionale e funzionale. Durante questa fase iniziale, i parametri di iniezione e accensione sono stati ottimizzati per garantire la stabilità della combustione e per mappare il comportamento fluidodinamico del motore. Una volta convalidati i modelli di riferimento del metano, l’attenzione si è spostata sulla calibrazione a idrogeno puro, perfezionando il funzionamento in transitorio e analizzando la risposta termomeccanica del gruppo motopropulsore a vari carichi.
Il passaggio all’idrogeno ha richiesto una profonda revisione delle strategie di gestione dell’aria, in particolare all’interno del regime di funzionamento a miscela magra (lean-burn) adottato per massimizzare l’efficienza e abbattere le emissioni di NOx. Poiché l’idrogeno presenta una densità volumetrica molto bassa e la combustione magra richiede un sostanziale eccesso d’aria, il volume della carica fresca aumenta in modo significativo, il che tende intrinsecamente a ridurre la potenza specifica del motore. Per compensare questo effetto e immettere nel cilindro la massa d’aria necessaria a mantenere il rapporto di equivalenza obiettivo, è stato essenziale incrementare la pressione di sovralimentazione tramite il turbocompressore. Questa strategia ha permesso di ripristinare con successo la densità della carica in aspirazione, garantendo la potenza target anche in condizioni di funzionamento con miscele estremamente magre.
A seguito del positivo completamento delle fasi di calibrazione, è stata condotta un’analisi comparativa completa per valutare le prestazioni, l’efficienza e i profili di emissione del motore nel passaggio dal funzionamento a metano a quello a idrogeno puro. Incrociando i dati sperimentali raccolti a parità di obiettivi di coppia e regime motore, questa analisi isola l’impatto delle proprietà di combustione uniche dell’idrogeno – come l’elevata velocità di fiamma e gli ampi limiti di infiammabilità – rispetto alla linea di base stabilita con il metano.
Particolare attenzione è rivolta a valutare come l’aumento della pressione di sovralimentazione e le strategie di combustione magra abbiano influenzato l’efficienza termica e la formazione di NOx, fornendo in definitiva una chiara indicazione della fattibilità della conversione ed evidenziando potenziali aree per future ottimizzazioni dell’hardware.
Una valutazione comparativa delle curve a pieno carico rivela che, sebbene la configurazione a idrogeno mostri una potenza e una coppia inferiori su l’intero intervallo di regime del motore rispetto alla linea di base a GNC, la penalizzazione delle prestazioni è significativamente meno grave rispetto alle normali previsioni teoriche. Nella letteratura convenzionale sui motori a idrogeno PFI (iniezione indiretta), il funzionamento con miscele magre si traduce spesso in un drastico calo dal 50% al 70% della densità di potenza, a causa della bassa densità di energia volumetrica dell’idrogeno e del massiccio spiazzamento dell’aria fresca nel collettore di aspirazione. Tuttavia, i dati sperimentali raccolti al banco prova dimostrano che il motore ha attenuato con successo queste perdite, mantenendo livelli prestazionali molto più elevati.
Questo importante miglioramento è particolarmente evidente quando si analizzano specifici punti di funzionamento. Per esempio, a circa 2260 giri/min, dove la configurazione a GNC raggiunge la sua coppia massima di 402 Nm (129 CV), la configurazione a idrogeno eroga comunque una coppia sostanziale di 204 Nm (66 CV). A regimi motore più elevati, come intorno a 3500 giri/min, il divario prestazionale si riduce ulteriormente: l’assetto a idrogeno produce 110 CV rispetto ai 141 CV del GNC, limitando la perdita effettiva di potenza a circa il 22%. Questo eccezionale risultato dimostra che la strategia di sovralimentazione spinta e la gestione ottimizzata della MAP (pressione assoluta del collettore) – che raggiunge i 1890 mbar durante il funzionamento a idrogeno per ripristinare la portata in massa d’aria – hanno contrastato con successo le penalizzazioni di efficienza volumetrica tipiche delle conversioni a idrogeno PFI.
L’efficienza termica utile del motore è stata mappata in modo approfondito in funzione del regime del motore (asse x, in giri/min) e della pressione media efficace (BMEP, asse y, in bar). Incrociando le due mappe di funzionamento, la configurazione a idrogeno mostra costantemente un profilo di efficienza superiore rispetto alla linea di base a GNC in ogni punto operativo condiviso. Ad esempio, in condizioni di medio carico come 6 bar di BMEP e regimi compresi tra 2000 giri/min e 3000 giri/min, l’assetto a idrogeno raggiunge valori di efficienza che oscillano tra il 37,3% e il 38,2%, mentre la linea di base a GNC rimane sensibilmente più bassa, variando dal 36,0% al 36,6%. Questo vantaggio sistematico deriva direttamente dalle proprietà fondamentali di combustione dell’idrogeno, vale a dire la sua velocità di fiamma laminare significativamente più elevata e gli ampi limiti di infiammabilità, che favoriscono un rilascio di calore più rapido e isometrico (più vicino alle condizioni ideali del ciclo Otto), riducendo così le perdite termodinamiche.
Inoltre, un’analisi più approfondita delle zone di massima efficienza evidenzia i punti di forza e i limiti strutturali di entrambe le configurazioni. L’assetto a GNC raggiunge la sua efficienza massima assoluta del 40,2% in isole ad alto carico (2000 giri/min e 16 bar di BMEP), una regione a cui la configurazione a idrogeno PFI non può attualmente accedere a causa delle penalizzazioni di coppia e dei limiti volumetrici della combustione magra discussi in precedenza. Tuttavia, all’interno del proprio campo di funzionamento, il motore a idrogeno tocca un picco notevole del 39,3% a 2250 giri/min / 8 bar di BMEP e mantiene valori fino al 39,1% a 10 bar di BMEP. Ciò indica che, sebbene il funzionamento a idrogeno comporti una BMEP massima limitata, esso sposta l’isola ad alta efficienza verso carichi inferiori. Questa caratteristica è altamente vantaggiosa per i cicli di guida reali, in cui il motore funziona principalmente in condizioni di carico parziale, traducendosi in un consumo di carburante significativamente inferiore.
