Visualization Analysis of Hydrogen Combustion Triggered by Non-Controlled Hotspots Using a Rapid Compression Expansion Machine

Lo studio analizza il comportamento di autoaccensione di miscele idrogeno-aria in diverse configurazioni operative, utilizzando analisi indicata e diagnostica ottica ad alta velocità. Le prove sono state condotte con una Rapid Compression Expansion Machine per valutare l’influenza di particolato e olio sull’innesco non controllato. Il particolato è stata introdotta tramite una prima combustione dual-fuel con HVO, mentre l’olio si è accumulato progressivamente all’interno del cilindro per effetto del sistema di lubrificazione. Sono state identificate tre modalità di accensione indesiderata – late, weak ed early ignition – concentrandosi in particolare sull’early ignition, la più critica per l’affidabilità del motore. Sebbene le quantità esatte di olio e particolato non fossero misurabili, i risultati sperimentali mostrano che l’early ignition è più probabile con pressioni di aspirazione elevate, valori di lambda più bassi e maggiori quantità di HVO nella prima fase dual-fuel. Tra tre configurazioni identiche, l’early ignition si è verificata solo nel caso con maggiore potenziale di particolato, confermando il ruolo dei depositi carboniosi come possibili inneschi. L’effetto più determinante risulta però essere la presenza di olio nel cilindro: in tutte le configurazioni l’early ignition si è manifestata negli ultimi cicli di prova, quando l’accumulo di olio era maggiore. Le immagini ad alta velocità hanno permesso di collegare gli eventi di accensione a singole gocce o depositi che fungono da hot spot locali, capaci di innescare la combustione anche a pressioni e temperature moderate. La visualizzazione di tali fenomeni evidenzia l’importanza del controllo delle superfici interne e dei depositi per garantire una combustione stabile. The study analyzes the ignition behavior of hydrogen–air mixtures under different operating configurations, using indicating analysis and high-speed optical diagnostics. The tests were carried out with a Rapid Compression Expansion Machine to evaluate the influence of soot and oil on uncontrolled ignition. Soot was introduced through an initial dual-fuel combustion with HVO, while oil progressively accumulated inside the cylinder due to the layout of the lubrication system. Three modes of undesired ignition were identified — late, weak, and early ignition — with particular attention to early ignition, the most critical for engine reliability. Although the exact quantities of oil and soot could not be measured, the experimental results show that early ignition is more likely to occur with higher intake pressures, lower lambda values, and greater amounts of HVO in the initial dual-fuel phase. Among three identical configurations, early ignition occurred only in the case with the highest soot potential, confirming the role of carbonaceous deposits as possible ignition sources. The most influential factor, however, proved to be the presence of oil inside the cylinder: in all configurations, early ignition appeared in the final test cycles, when oil accumulation was greatest. High-speed imaging made it possible to trace ignition events back to individual droplets or deposits acting as local hot spots capable of triggering combustion even under moderate pressure and temperature conditions. The visualization of such phenomena highlights the importance of controlling internal surfaces and deposits to ensure stable combustion.