Diesel exhaust fluid injection at low pressure for SCR DeNOx after treatment systems : CFD modeling and validation

Within the context of reducing the pollutant emissions of internal combustion engines and, in particular, in the development of Selective Catalytic Reduction systems, this research project aims to the validation of a low pressure spray of both water and Urea-water solution in OpenFOAM and to evaluate the CFD models that describe the physical phenomena occurring in injections. On this topic, not many studies are present in literature and many aspects have not been investigated yet, even though there are already many studies that aim to describe the main SCR problem: the wall impingement that causes deposit formations. The actual need of a correct spray is therefore fundamental to guarantee the correct CFD analysis of SCR systems. The present work is focused on the propagation and evolution of a low pressure spray in the open-source finite volume code OpenFOAM, in order to clarify the behaviour of these sprays. The results of the simulations are compared to data obtained by optical techniques. As some controversies rose up, three drag models were implemented in the OpenFOAM library and then tested. Finally, once reached the validation of the spray in different environmental conditions, further analysis were done in order to comprehend the evolution of this spray and compare it to reality.

Il presente lavoro si vuole inserire nel contesto dell’abbattimento degli inquinanti dei motori a combustione interna e, più precisamente, nello sviluppo di sistemi SCR (Selective Catalytic Reduction). Lo scopo del presente lavoro è dunque la validazione di uno spray di acqua e di soluzione Urea-acqua (UWS) in OpenFOAMR", e la valutazione di tutti i modelli CFD che entrano in gioco nella descrizione dei fenomeni fisici che si verificano durante l’iniezione. Su questo argomento non molti studi sono stati svolti e, avendo a disposizione poca letteratura a riguardo, molti aspetti non sono stati indagati a fondo. Tuttavia sono presenti in letteratura gi`a numerosi modelli che tentano di descrivere quello che rappresenta il problema cruciale dei sistemi SCR: la formazione di deposito che causa l’otturazione delle tubature di scarico. Si intuisce dunque l’importanza e la necessità effettiva di avere a disposizione uno strumento che permetta di descrivere al meglio la propagazione dello spray in differenti condizioni di flusso dei gas di scarico. Infatti, con tale strumento, si possono valutare tutte quelle situazioni che portano a un malfunzionamento di tutto il sistema SCR con notevole risparmio in termini economici e tempistici. Il corpo principale di questo lavoro di tesi quindi sarà dedicato allo studio dell’evoluzione di uno spray caratterizzato da una bassa pressione di iniezione nel software OpenFOAM. Per testare la bontà dei risultati delle simulazioni, questi sono paragonati a dati ottenuti con tecniche ottiche e pubblicati in articoli scientifici. Di fronte a delle incongruenze prettamente fisiche, si è presentata la necessità di implementare tre modelli di drag, che sono stati inseriti nella libreria del software e sono stati valutati. Infine, avendo raggiunto la validazione dello spray in differenti regimi di flusso dei gas di scarico, ulteriori analisi sono state svolte, col fine di comprendere l’effettiva evoluzione dello spray nelle simulazioni e paragonarlo alla realta.