CFD simulation of SCR process in after-treatment systems for internal combustion engines (ICE)

The continuous development and improvement of Diesel internal combus- tion engines are necessary for automotive industries to go on the path of sustainability and of environment respect. These types of engines are char- acterized by a low fuel consumption and by a low emission of carbon dioxides (CO 2 ). The lean combustion (high excess of O 2 ), which is typical of these en- gines, leads to high emissions of NO x (nitrogen oxides), mainly NO and NO 2 , that are toxic and dangerous chemical species for humans and environment. Furthermore, European legislations about pollutants emissions are getting tighter, in particular for NO x . Due to all these reasons, the design and the development of exhaust gases after-treatment systems are fundamental: they must be able to reduce in an efficient way the amount of the dangerous and toxic chemical species. In particular, modelling tools, that can completely and accurately simulate the entire process from the chemical, thermal and fluid-dynamic point of view, are increasingly important. This way it is possible to reduce design and engineering times of the systems. Therefore, the aim of this work is to create a 3-D model, which is able to simulate the chemical processes happening in SCR after-treatment systems. After studying the selective and catalytic process, the calculation model has been created, taking advantage of the potentiality of the open source soft- ware OpenFOAM . The first model has been created starting from a previous study of the SCR process, which only took into consideration the behavior of the fluid inside the reactor (singleRegion mesh) and without the spray injection. Then, the fundamental presence of the solid catalyst has been included in model, in which the exhaust gases flow and without it the catalytic reactions do not take place (multiRegion mesh). The models have been validated comparing the results to the available data in literature and the good agreement between them has been observed. Finally, a model, which considers the whole catalytic SCR process, has been created, therefore with the presence of the AdBlue injection: first of all, a simplified geometry has been realized, in which the spray is applied, then a real after-treatment line of a Diesel 1.6L Euro6 engine has been take into account definitely. In both cases, only the fluid has been considered (sin- gleRegion mesh), neglecting the effect of the solid reactor: this due to the fact that we are interested only in the fluid region before the inlet of the SDPF reactor and not in its behaviour and operative conditions.

L’utilizzo e il continuo sviluppo di motori a combustione interna a ciclo Die- sel, che sono caratterizzati da un minore consumo di combustibile e da una ridotta emissione di CO 2 , sono necessari affinché l’industria automobilistica continui sulla strada della sostenibilità e del rispetto dell’ambiente. La com- bustione magra (elevato eccesso di O 2 ), tipica di questi motori, comporta l’elevata emissione di NO x (ossidi di azoto) -prevalentemente NO 2 e NO-, specie chimiche dannose per l’ambiente e tossiche per l’uomo. Inoltre, le nor- mative europee sulle emissioni per la salvaguardia dell’ambiente e della salute sono sempre più stringenti, in particolare per gli NO x . Per questi motivi, la progettazione e lo sviluppo di sistemi di post-trattamento dei gas prodotti dalla combustione, in grado di abbattere in maniera efficiente questi elementi nocivi, hanno un ruolo fondamentale. In particolare, strumenti di modellazione in grado di simulare in maniera completa e accurata il processo dal punto di vista termico, chimico e fluido- dinamico, hanno sempre più importanza, così da ridurre i tempi di progetta- zione e realizzazione dei sistemi stessi. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di realizzare un modello 3-D che sia in grado di simulare i processi chimici che avvengono in un sistema post- trattamento SCR. Dopo un iniziale studio del processo catalitico e selettivo, si è passati alla creazione del modello di calcolo sfruttando le potenzialità del software open source OpenFOAM . Il primo modello è stato creato a partire da uno studio precedente del processo SCR, il quale considerava unicamente il comportamento del fluido all’interno del reattore (singleRegion mesh) e senza l’iniezione spray. A questo modello base, è stata inserita la parte che considera la presenza fondamentale del catalizzatore solido, all’interno del quale fluiscono i gas di combustione e senza il quale non si avrebbe l’innesco delle reazioni catalitiche (multiRegion mesh). I modelli sono stati validati confrontando i risultati ottenuti con i dati disponibili in letteratura, andando a verificare la buona aderenza tra di essi. Infine, è stato creato un modello che tenesse conto del processo catalitico SCR completo, quindi con la presenza dell’iniezione spray di AdBlue : in primo luogo è stato realizzata una geometria semplice nella quale applica- re il modello con lo spray, per poi passare in via definitiva a una linea di post-trattamento reale di un motore Diesel 1.6L Euro6. In entrambi i casi è stato considerato solo il fluido (singleRegion mesh) trascurando l’effetto del reattore solido: questo perché siamo interessati solo alla regione fluida precedente all’ingresso del reattore SDPF e non al suo comportamento e alle sue condizioni operative.