CFD characterization of an Adblue spray in Diesel after-treatment systems

In a modern automotive context characterized by increasingly stringent regulations on diesel engine emissions, in particular soot and nitrogen oxides, the development of techniques and technologies aimed at reducing these pollutants is required. The SCR system (Selective Catalytic Reduction) is one the possible systems, targeting on the elimination of nitrogen oxides by ammonia injection in the form of an urea-water solution (UWS). The present work aims to characterize the low pressure injection of this mixture, commercially widespread with the name AdBlue . A CFD analysis was performed using the software OpenFOAM in simplified conditions at first, and subsequently reproducing the conditions generated by an engine-less test bench. The aim is to validate the model on spatially resolved PDA data and then apply it to reproduce the impact of the injected liquid over a thin and hot surface, estimating how much the evaporated mixture is closely dependent on its presence. To reach this goal a deep analysis of the wall temperatures was also performed, because strictly linked to the evaporation process. In addition, a more detailed description of the main thermodynamic phenomena taking place in the injection chamber was carried out employing a series of numerical models to characterize the interaction regimes between spray and wall. The final part introduces the geometric optimization of the injection region, where some economic and minimally invasive solutions are suggested and analyzed to improve the amount of heat exchanged and, as a result, the evaporation rate.

In un contesto automobilistico odierno caratterizzato da sempre più stringenti normative e regolazioni sulle emissioni dei motori diesel, in particolare particolato e ossidi di azoto, si impone lo sviluppo di tecnologie mirate all’abbattimento di queste sostanze. Il sistema SCR (Selective Catalytic Reduction) è una di queste e punta all’eliminazione degli ossidi di azoto tramite iniezione di ammoniaca sotto forma di soluzione di acqua e urea (UWS). Il presente lavoro mira a caratterizzare l’iniezione a bassa pressione di questa miscela, commercialmente diffusa come AdBlue . L’analisi CFD `e stata effettuata tramite il software OpenFOAM dapprima in condizioni semplificate, successivamente riproducendo condizioni generate da un test bench privo di motore. Lo scopo è validare il modello sulla basi di dati provenienti da analisi PDA e poi applicarlo per riprodurre l’impatto del flusso iniettato su una parete sottile e calda per stimare come la quantità di acqua evaporata ne sia strettamente dipendente. A questo proposito è stata condotta un’analisi approfondita delle temperature della parete, direttamente legate all’evaporazione. Si `e puntato ad una descrizione più dettagliata dei principali fenomeni termodinamici aventi luogo nella camera di iniezione, implementando e introducendo una serie di modelli numerici per caratterizzare i regimi di interazione tra spray e parete. La parte finale apre lo scenario al processo di ottimizzazione geometrica della camera di iniezione, in cui vengono suggerite e analizzate delle possibili soluzioni economiche e poco invasive per migliorare la quantità di calore scambiato e, come conseguenza, il tasso di evaporazione.