Progettazione e ottimizzazione di sistemi di post trattamento dei gas di scarico per motori Diesel mild-hybrid

In the last decades, the European Committee has introduced a lot of limits to regulate the pollutant’s emissions caused by internal combustion engine’s vehicles. These regulations are summarized in categories called “Euro”. During the design process, it is shown how the after treatment system of a 2.2 l Euro 4 Diesel engine must be developed to gain the target given by the most recent regulations, in order to respect the given maximum pollutants limits. It can be observed that the final after treatment system configuration is particularly interesting if on a mild hybrid vehicle (MHEV). The initial Euro 4 layout was made of a Diesel Oxidation Catalyst (DOC), able to oxidize unburnt hydrocarbons and CO, and a Diesel Particulate Filter only. In the first part of the design process, in the ATS have been included a Selective Diesel Particulate Filter (SDPF) and a Selective Catalyst Reduction unit (SCR) with ammonia injection able to cut down the nitrogen oxides, and an Ammonia Slip Catalyst (ASC) able to convert the in excess ammonia at the outlet of the system, by obtaining an Euro 5 ATS layout. Then, to gain a further increase in the system efficiency, an Electrically Heated Catalyst (EHC) has been introduced at the intlet of the system to increase the exhaust gases temperature and so the pollutants convertion efficiencies. This last layout (Euro 6), on a mild hybrid vehicle, has the advantage to exploit the energy stored during the regenerative braking phase, and not only the power produced by the engine. Finally it has been studied a strategy to keep low pollutants emissions by minimizing the fuel consumption due to the EHC power supply. The result is an after treatment layout for a mild hybrid Diesel engine able to respect the limits given by Euro 6 regulations, with no further fuel consumption respect to the Euro 5 Diesel layout.

Negli ultimi decenni, i veicoli a motore a combustione interna sono stati e sono tutt’ora oggetto di svariate normative dettate dall’Unione Europea con lo scopo di ridurre il loro impatto ambientale La tendenza negli anni è stata infatti quella di ridurre progressivamente i valori massimi ammissibili relativi ad inquinanti gassosi e particolato emessi dai veicoli, definendo parallelamente dei nuovi standard relativi ai cicli di prova sui quali misurarli. Quest’insieme di restrizioni emanate definiscono le così dette “Classi Euro”. Nell’elaborato si vuole mostrare come in questo contesto sia dunque necessario lo sviluppo di un opportuno sistema di post trattamento dei gas di scarico, nella fattispecie in uscita da un motore Diesel di un veicolo leggero di cilindrata pari a 2200cc. Dopo una prima fase di verifica relativa all’appartenenza alla classe Euro 4 della configurazione base dell’ATS (After Treatment System), è stato effettuato un graduale processo di implementazione componentistica e di ottimizzazione del sistema avente lo scopo di ottenere una linea di post-trattamento grazie alla quale venissero rispettate le più recenti limitazioni dettate dalla classe Euro 6. Come si vedrà, la configurazione finale del sistema risulta esser particolarmente interessante nel caso in cui il veicolo sfrutti la tecnologia mild hybrid (MHEV). In un primo momento, nella configurazione di partenza, costituita da filtro antiparticolato (DPF) e catalizzatore ossidante (DOC), mediante il quale vengono abbattuti il monossido di carbonio e gli idrocarburi incombusti presenti nei gas di scarico, vi è stata l’introduzione di un sistema di riduzione degli ossidi di azoto con iniezione di ammoniaca gassosa (SDPF e SCR) e un’unità ASC dedicata all’abbattimento dell’eventuale ammoniaca residua all’uscita dell’ATS, ottenendo, dopo un’ottimizzazione del dosaggio di ammoniaca, la conformità alle normative Euro 5. Con lo scopo di ottenere dei risultati in linea con i limiti dettati dalla classe Euro 6, successivamente, all’ingresso del sistema è stata inserita una sezione elettricamente riscaldata del catalizzatore ossidante (EHC), in modo da innalzare la temperatura dei gas esausti e quindi l’efficienza di abbattimento. Il vantaggio di allocare un componente come l’EHC su di un veicolo mild hybrid risiede nel poter sfruttare l’energia recuperata nel corso della fase di frenata rigenerativa per soddisfarne la richiesta elettrica. Dopo un’analisi relativa alla strategia di regolazione dell’input energetico all’EHC, è stata ottenuta una configurazione finale di ATS di classe Euro 6, con consumi di carburante piuttosto contenuti, in linea con quelli di un veicolo Diesel ordinario e di classe Euro 5.