Unsteady CFD simulation of urea dosing systems for SCR units of Diesel engines

The ever-increasing restriction on pollutants emission is making the designing process of internal combustion engines more and more challenging. Compression ignition engines are, in particular, characterized by high levels of particulate matter and nitrogen oxides (NOx) emissions. In this work, the focus has been on the Selective Catalytic Reduction system, a device which allows to reduce NOx. In particular, the aim of this master thesis was to investigate whether a liquid film was going to form in the mixing unit of the system, under two different load conditions, using the open source CFD tool OpenFOAM. Liquid film formation is a phenomenon of particular interest because it anticipates the development of solid deposits, which are detrimental for the functioning of the system. The grid has been generated using the snappyHexMesh utility. After a first attempt using a circular cross section background mesh, this approach has been abandoned to adopt a squared cross section one, which turned out to give the best trade-off between number of elements and surface refinement. To validate the grid, steady state RANS simulations have been performed in two different load conditions. The flow fields obtained have been used to initialize the time-variant cases with the AdBlue® injection. The results of the unsteady simulations showed that in first load conditions the formation of a liquid film did not occur, although it is expected with the increase of the number of injections. In second load conditions the liquid film formed at the beginning of the first injection. In future works the coupling of the system with the engine piston could be simulated imposing pulsating inflow conditions in order to study how this affects the spray-wall interaction.

La sempre crescente limitazione delle emissioni di inquinanti sta rendendo sempre più arduo il processo di progettazione dei motori a combustione interna. I motori ad accensione spontanea sono, in particolare, caratterizzati da livelli elevati di emissioni di particolato e ossidi di azoto (NOx). In questo lavoro, l’attenzione si è concentrata sull’unità SCR (Selective Catalytic Reduction), un dispositivo che consente di ridurre le emissioni di NOx. In particolare, lo scopo di questa tesi era di indagare se un film liquido si sarebbe formato nell’unità di miscelazione del sistema, in due diverse condizioni di carico, usando il software CFD OpenFOAM. La formazione di film liquido è interessante poichè prelude lo sviluppo di depositi solidi, che sono deleteri per il funzionamento del sistema. La griglia è stata generata usando snappyHexMesh. Dopo un primo tentativo effettuato adottando una mesh di background a sezione circolare, si è deciso di optare per una a sezione quadrata in quanto permetteva di raggiungere il miglior compromesso tra numero di elementi e qualità della superficie. Sono state effettuate in seguito due simulazioni RANS stazionarie, in due condizioni di carico diverse, per validare la griglia. Il campo di moto ottenuto è stato quindi utilizzato per inizializzare le simulazioni non stazionarie comprensive di iniezione di AdBlue® . I risultati di tali simulazioni hanno rivelato che nella prima condizione di carico non avveniva la formazione di film liquido. Tuttavia, all’aumentare del numero di iniezioni ci si aspetta la formazione di depositi di urea. Nella seconda condizione di carico invece, il film liquido si forma già all’inizio della prima iniezione. Sviluppi futuri possono comprendere simulazioni a flusso pulsato al fine di simulare l’accoppiamento con il pistone del motore per studiare come questo possa influenzare lo scambio termico tra spray e parete.