CFD modeling and experimental characterization of urea/water solution injection inside SCR systems of diesel engines

The present work focuses on the characterization of the low-pressure driven injection applied to the pre-catalytic section of a Selective Catalytic Reduction system for vehicle applications. Phase Doppler Anemometry represents the main technique to assess the spray kinematic features in cross-flow conditions in a very confined environment. The experiments are mostly carried out in a test bench able to reproduce Diesel engine exhaust after-treatment operating conditions, providing size and velocity distributions of the droplets generated by two different commercially available injectors. The data are used, coupled with qualitative Shadow Imaging visualizations of the sprays, to initialize a numerical injection model for each nozzle, to be included in a Lagrangian-Eulerian framework handled with the open-source platform OpenFOAM. The CFD simulation is validated on the near-nozzle behavior in quiescent air and on the data collected close to the primary impingement surface in cross-flow conditions. A conspicuous fraction of the liquid mass impacts the surface and its quantification is carried out with a mechanical patternator, producing spatially resolved mass distributions and showing that the entrainment in cross-flow is always less than the 50% of the injected mass. The simulation is used to estimate the intrusiveness of the instrument in the system, and then it is compared to the mass flux data, highlighting the improvement produced by the fixed number of droplets per parcel approach in the definition of the dispersed phase. A literature based spray-wall interaction model is implemented in the CFD code, introducing a thermal threshold on the interaction regime identification and the conductive heat transfer between spray and walls, which are solved in their thermal transients. The direct interaction of the droplets with the solid surfaces is identified as the paramount term in the walls energy balance, and is represented with synthetic impingement maps. On the other hand the impact on the walls is found to be the only source of break-up for the primary droplets, which are not deflected by the flow.

Il lavoro proposto pone l'attenzione sulla caratterizzazione dell'iniezione a bassa pressione utilizzata nella sezione pre-catalitica di un sistema per la riduzione di ossidi d'azoto (Selective Catalytic Reduction) applicato a veicoli. La Phase Doppler Anemometry rappresenta il principale strumento per la valutazione delle proprietà cinematiche di uno spray in condizioni operative realistiche. La dimensione e la velocità delle gocce iniettate da due diversi iniettori è misurata principalmente attraverso l'uso di un banco prova in grado di riprodurre le condizioni termo-fluidodinamiche di un sistema di rimozione inquinanti. I dati sono utilizzati, in accoppiamento con la visualizzazione della morfologia dello spray attraverso Shadow Imaging, per inizializzare i modelli di iniezione da inserire in simulazioni CFD con approccio Lagrangiano-Euleriano realizzate con il software open-source OpenFOAM. I risultati numerici sono validati sulla base di dati raccolti rispettivamente nella regione d'iniezione e vicino alla superficie solida di impatto dello spray. La cospicua frazione di massa liquida che interagisce con le pareti del sistema è quantificata attraverso un patternator meccanico in grado di produrne una distribuzione spaziale. Le misure mostrano che più' della metà del liquido iniettato impatta con la parete solida del sistema, in qualsiasi condizione di flusso gassoso. Le simulazioni fluidodinamiche sono usate per valutare l'intrusività dello strumento nel sistema e successivamente sono comparate ai risultati di flusso di massa liquida, sottolineando come l'assegnazione di un numero costante di gocce ad ogni parcel computazionale migliori la rappresentazione dello spray. Un modello di interazione spray-parete basato su dati di letteratura è stato implementato nel codice, introducendo una soglia termica nell'identificazione del regime di impatto e risolvendo lo scambio termico con le superfici del sistema. L'interazione termica diretta tra gocce e solido è identificata come il termine principale nel bilancio termico delle pareti solide, ed è rappresentata con mappe di impatto che sintetizzano il fenomeno. Dal punto di vista dello spray, l'interazione con le pareti rappresenta l'unica sorgente di break-up delle gocce primarie, che non riescono a essere deviate dal flusso gassoso.