Med den globala befolkningen på uppgång ökar efterfrågan på energi. Tyvärr har mycket av denna energi historiskt sett kommit från fossila bränslen, vilket resulterat i betydande utsläpp. Dessa utsläpp, främst kväveoxider (NOx) och växthusgaser (GHG) såsom CO2, utgör allvarliga hot mot både människors hälsa och miljön. Kväveoxider fungerar som primära förstadier till troposfäriskt ozon, vilket påverkar människors lunghälsa och reproduktionscyklerna hos växter. Samtidigt bidrar växthusgaser till växthuseffekten genom att fånga värme i atmosfären och driva på den globala temperaturhöjningen. En av de sektorer som bidrar avsevärt till växthusgasutsläppen är transportsektorn, vilket har lett till allt striktare utsläppsregleringar. För att möta dessa utsläppskrav och minska miljöpåverkan har antagandet av ”Zero Emission Vehicles” (ZEV) framstått som en kritisk lösning.

ZEV, som kännetecknas av att de saknar skadliga utsläpp, presenterar lovande alternativ till traditionella förbränningsmotorfordon. Ledande kandidater inkluderar elfordon (EV), bränslecellsfordon (FCV) och fordon med vätgasförbränningsmotorer. Även om elfordon, främst drivna av litiumjonbatterier, har sett betydande framsteg, kvarstår oro kring batteriåtervinning, resursutvinningspraxis och infrastrukturbegränsningar.

Väte, erhållet genom elektrolys med hjälp av förnybara energikällor, är särskilt attraktivt som bränsle för ZEV. Bränsleceller, som utnyttjar väte för att driva fordon, producerar endast vatten som biprodukt genom ett membranbaserat batterisystem. Trots deras fördelar utgör tillverkningskostnaden för bränsleceller, på grund av katalysatorer och membran, en barriär för utbredd användning vilket liknar de utmaningar som möts med elbatterier.

En alternativ strategi innebär att bygga om befintliga förbränningsmotorer för att drivas med vätgas, vilket resulterar i vatten som enda utsläpp. Även om denna strategi utnyttjar effektiviteten hos traditionella motorer utan modifiering, stöter den på ett hinder vid kallstarter: vätets högre självantändningstemperatur resulterar i en tändningsfördröjning. För att lösa detta problem kan en metod vara att blanda 5% diesel i bränsleblandningen. Detta kompromissar dock med fordonets ZEV-klassificering. Därför innebär en genomförbar lösning att integrera en katalysator före förbränningskammaren. Denna katalysator underlättar en exoterm reaktion genom att introducera en liten mängd vätgas, vilket höjer gastemperaturen för att påskynda tändningen.

Denna metod medför dock vissa komplexiteter. Utmaningar inkluderar tryckfall vid full motorbelastning, kostnaden för katalysatormaterial, i detta fall platina (Pt), och att säkerställa tillräcklig temperatur för vätets självantändning inom förbränningskammaren. För att hantera dessa intrikata frågor syftar detta projekt till att utveckla en simuleringsmodell med hjälp av ”Computational Fluid Dynamics” (CFD) för att optimera förhållanden och bedöma genomförbarhet, med hjälp av Converge-programvaran.

För att uppnå detta mål modelleras katalysatorns enskilda kanal initialt med ytreaktioner. Processen börjar med flera preliminära undersökningar för att optimera resultaten. En meshstudie genomförs, tillsammans med en diffusionsanalys, som erkänner att vid lägre temperaturer är diffusionens påverkan minimal. Den valda meshstorleken är 3 mm, vilket balanserar simulerings effektivitet med resultatens noggrannhet, eftersom mindre storlekar inte märkbart förbättrar kvaliteten eller mängden av resultat. Diffusionsinställningarna är inställda som Mixed, omfattande Knudsen och Molekylära modeller, vilket säkerställer mångsidighet över temperaturintervall samtidigt som noggrannheten förbättras. Laminärt flöde bekräftas, med Reynolds-tal under 4000.

Med modellen konfigurerad utförs en känslighetsanalys för att identifiera kritiska parametrar. Studerade parametrar inkluderar luft: bränsleförhållande (λ), inloppstemperatur (K), kanallängd (mm) och tvärsnittsarea (mm2). Dessutom utförs en faktoriell design för att validera resultaten och underlätta datatolkning. Lovande resultat framkommer, som visar att kallstarter uppnår tillräckliga temperaturer utan betydande tryckfall som kan påverka bränsleeffektiviteten. Luft: bränsleförhållandet framträder som den mest inflytelserika parametern för temperaturökning. Med tanke på vätets kostnadsimplikationer är det dock viktigt att hålla förhållandena på rimliga nivåer. Kanallängden följer som den näst mest påverkande parametern, direkt påverkande vistelsetiden. Det ses också att vid en viss längd uppnås den behövda vistelsetiden och temperaturökningen blir inte lika märkbar, vilket gör längden till en kritisk designövervägning. Kanalens tvärsnittsarea framträder som en annan viktig faktor, som påverkar kontakt mellan vätska och katalysator samt reaktionseffektiviteten.

Olika kallstartstemperaturer från -40 till 0 ℃ utvärderas, med resultat som visar termisk stabilitet från -30 ℃ och framåt, där skillnaderna är mer uttalade från -40 ℃. Vid full belastningsdrift observeras tryckfall, vilket kräver bedömning för potentiella bypass-behov. I fall av tryckfall spelar både kanallängd och tvärsnittsarea avgörande roller, direkt påverkan av friktionsförluster. Att balansera kallstartstemperaturskillnad och tryckfall vid full belastning är avgörande, en övervägning som noggrant utforskas och diskuteras inom projektet.

Resultaten som visas i detta projekt, i kombination med ytterligare studier för att bidra till att bredda kunskapen och projektets omfattning, visar att användningen av en katalysator förbättrar motorns prestanda, vilket för bränsleförbränningen närmare verklighetens användning av väte som bränsle i förbränningsmotorer.

With the global population on the rise, the demand for energy is escalating. Unfortunately, much of this energy has historically been derived from fossil fuels, resulting in significant emissions. These emissions, predominantly nitrogen oxides (NOx) and Greenhouse Gases (GHG) such as CO2, pose serious threats to both human health and the environment. Nitrogen oxides act as primary precursors to tropospheric ozone, impacting respiratory health and reproductive cycles of flora. Meanwhile, GHGs contribute to the greenhouse effect, trapping heat in the atmosphere and driving global temperature rise. Among the sectors contributing substantially to GHG emissions is transportation, prompting increasingly stringent regulations on emissions. To meet these regulatory demands and mitigate environmental impact, the adoption of Zero Emission Vehicles (ZEVs) has emerged as a critical solution.

ZEVs, characterized by their absence of harmful emissions, present promising alternatives to traditional combustion engine vehicles. Leading contenders include electric vehicles (EVs), fuel cell vehicles (FCVs), and hydrogen internal combustion engine vehicles. While EVs, primarily powered by lithium-ion batteries, have seen significant advancement, concerns linger regarding battery recycling, resource extraction practices, and infrastructure limitations.

Hydrogen, obtained through electrolysis using renewable energy sources, seems an attractive fuel for ZEVs. Fuel cells, leveraging hydrogen's energy to propel vehicles, produce only water as a byproduct through a membrane-based battery system. Despite their appeal, the manufacturing cost of fuel cells, attributed to catalysts and membranes, presents a barrier to widespread adoption, paralleling challenges encountered with electric batteries.

An alternative approach involves retrofitting existing combustion engines to run on hydrogen fuel, yielding water as the sole emission. While this strategy capitalizes on the efficiency of traditional engines without modification, it encounters an obstacle during cold starts: hydrogen's higher autoignition temperature results in an ignition delay. To solve this issue, an approach is to blend 5% diesel into the fuel mixture. Nonetheless, this compromise disqualifies the vehicle from ZEV classification. Hence, a viable solution involves integrating a catalyst before the combustion chamber. This catalyst facilitates an exothermic reaction by introducing a small quantity of hydrogen, thereby raising the oxygen temperature to expedite ignition

However, this approach bring some complexities. Challenges include pressure drop issues at full engine load, the cost of catalyst materials, in this case platinum (Pt), and ensuring sufficient temperature for hydrogen autoignition within the combustion chamber. To address these intricacies, this project aims to develop a simulation model using Computational Fluid Dynamics (CFD) to optimize conditions and assess feasibility, employing the Converge software platform.

To achieve this goal, the catalyst's single channel is initially modeled using surface reactions. The process commences with several preliminary investigations to optimize outcomes. A mesh study is conducted, along with a diffusion analysis, recognizing that at lower temperatures, diffusion's impact is minimal. The chosen mesh size is 3 mm, balancing simulation efficiency with result accuracy, as smaller sizes do not significantly enhance quality or quantity of outcomes. Diffusion settings are established as Mixed, encompassing Knudsen and Molecular models, ensuring versatility across temperature ranges while enhancing accuracy. Laminar flow is confirmed, with Reynolds numbers below 4000.

With the model configured, a sensitivity analysis is performed to identify critical parameters. Studied parameters include air: fuel ratio (λ), inlet temperature (K), channel length (mm), and cross sectional area (mm2). Additionally, a factorial design is executed to validate results and facilitate data interpretation. Promising results emerge, showing that cold starts achieve adequate temperatures without significant pressure drop issues that could affect fuel efficiency. The air: fuel ratio raises as the most influential parameter in temperature increase. However, considering hydrogen's cost implications, it's imperative to maintain ratios at reasonable levels. Channel length follows as the second most impactful parameter, directly influencing residence time, it is also seen that at a certain length the needed residence time is reached and temperature increase is not as noticeable, making length a critical design consideration. The cross-sectional area of the channel emerges as another crucial factor, influencing fluid-catalyst contact and reaction efficiency.

Various cold start temperatures ranging from -40 to 0 ℃ are evaluated, with results indicating thermal stability from -30 ℃ onward, being the differences more pronounced from -40 ℃. At full load operation, pressure drop is observed, needing assessment for potential bypass requirements. In instances of pressure drop, both channel length and cross-sectional area play pivotal roles, directly impacting friction losses. Striking a balance between cold start temperature difference and pressure drop at full load is imperative, a consideration thoroughly explored and discussed within the project.

The results shown in this project, combined with further studies to contribute to broaden the knowledge and scope of the project, demonstrate that the use of a catalyst improves the engine performance, bringing the use of hydrogen as fuel in internal combustion engines closer to a reality.