Hydrogen utilization as a fuel in internal combustion engine

Abstract

[ES] Los objetivos principales de este trabajo están alineados con la hoja ruta de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para descarbonizar la economía, siendo esta una de las principales metas para los próximos años a nivel global. Dado que uno de los principales contribuyentes a estas emisiones es el sector del transporte, desvincular este sector de los combustibles fósiles es un paso necesario hacia un futuro más respetuoso con el medio ambiente. Al utilizar combustibles alternativos como el hidrógeno y mezclas HCNG se consigue una reducción de las emisiones de carbono mediante el aumento de la eficiencia, y al mismo tiempo por la reducción del contenido de carbono del combustible. El estudio de la combustión de estos combustibles alternativos en un motor monocilíndrico de encendido por chispa es el objetivo principal de este trabajo. Se estudiará el efecto de las estrategias de dilución para poder operar con seguridad evitando fenómenos como la detonación. Mediante sustitución se pretende definir las distintas mezclas HCNG. El impacto de esta sustitución de H2 se evaluará de forma experimental en condiciones de alta dilución, donde la estabilidad de la combustión se ve extremadamente comprometida. Comparando rendimiento y niveles de emisiones entre diferentes niveles de sustitución de hidrógeno. Además, se propondrá un nuevo enfoque de modelado de la combustión basado en el aprendizaje automático para predecir la velocidad de combustión de diferentes mezclas de metano (que es el componente principal del CNG), y de hidrógeno. Mediante cálculos previamente realizados de la velocidad de combustión laminar se entrenará una red neuronal, con el fin de encontrar una forma más rápida de obtener buenos resultados en comparación con los modelos actuales aplicados a los motores de encendido provocado en el marco del modelo de motor virtual.

[EN] This work is aligned with the objectives of reducing greenhouse gas emissions to decarbonize the economy, which is one of the main goals for the following years. Since one of the main contributors to these emissions is the transport sector, detaching this sector from fossil fuels is a necessary step towards an environmentally friendly future. Reducing carbon-based emissions by increasing the efficiency of the transport power plants while reducing the carbon contents of the fuel is achieved when alternative fuels such as hydrogen, and HCNG blends are used. The study of the combustion of these fuels in a single-cylinder spark-ignition engine is the main objective of this work. The effect of dilution strategies will be studied to be able to operate them safely avoiding combustion phenomena such as detonation. Hydrogen substitution will be applied to define HCNG blends. The impact of the H2 substitution ratio is experimentally evaluated under lean combustion conditions, where the combustion stability is extremely compromised. A comparison in performance and emission levels will be done between different levels of hydrogen substitution. In addition, a new combustion modeling approach based on machine learning modeling is proposed for predicting the burning rate of different mixtures of methane, which is the major component of CNG, and hydrogen. Laminar flame speed calculations will be performed to train the Artificial Neural Network model, finding a faster way to obtain good results in comparison with actual models applied to SI engines in the virtual engine model framework.