Numerical assessment of an innovative POCS substrate as electrical heated solution for ICE after-treatment systems

In the last twenty years more and more stringent legislations have been adopted to limit pollutant emissions. Even if the impact of transport sector on the air pollution has decreased with the recent after-treatment technologies there are still margins for further improvements. The reduction of the negative effects of transportations is a strategic objective for the EU. In this scenario of abatement of emissions, a fundamental role is played by the after-treatment systems for vehicles. The need to introduce ever more efficient systems for the reduction of pollutants has pushed the research towards innovative solutions. In this framework the present Thesis is developed. The aim of the study is to design and analyze a pre-catalysis system that allows to intervene on the emissions released during the lighting of the vehicle. The pre-catalyst is designed so that it could be heated through the Joule effect, which occurs thanks to the application of a potential difference inside the piece. The pre-catalyst is drawn through CAD tools and analyzed through Computational Fluid Dynamics systems (CFD), specifically through the open-source software called OpenFOAM. The analysis is developed by primarily checking the heating of the structure, then the reduction of the pollutants obtained with the introduction of this catalyst. Finally the impact that this component has on the remaining part of the exhaust system is verified. After the fluid dynamics analysis a preliminary 1D simulation at full load is developed, thanks to the software called gasdyn, to verify the engine performances. For this study an high performance spark ignition engine is considered, however the study lends to new developments to be applied to vehicles with different fuel system, fossil an synthetic fuels, and also hybrid vehicles.

Negli ultimi vent’anni, si sono susseguite normative sempre più stringenti sulle emissioni inquinanti. La riduzione delle emissioni dovute al settore dei trasporti è un obiettivo fondamentale per l’Unione Europea. In questo scenario un ruolo chiave è svolto dai sistemi di post trattamento dei fumi di scarico dei veicoli. Sebbene le recenti tecnologie di post trattamento dei fumi di scarico abbiano ridotto notevolmente la quantità di inquinanti rilasciati in atmosfera ci sono ulteriori miglioramenti attuabili. La necessità di introdurre sistemi sempre più efficienti per ridurre gli inquinanti ha dato una grande spinta alla ricerca portandola verso soluzioni sempre più innovative. In questo contesto si sviluppa il mio progetto di tesi. L’obiettivo dello studio è quello di progettare un precatalizzatore da inserire all’inizio della linea di scarico del motore e di analizzarne le capacità di abbattimento delle sostanze inquinanti, in particolare vengono analizzate le emissioni prodotte durante l’accensione del veicolo. Il principale problema di emissioni nei veicoli è legato alla temperatura del catalizzatore, che deve essere sufficiente ad attivare le reazioni chimiche di trasformazione. Per questo il precatalizzatore che vuole essere introdotto nei condotti è pensato per poter essere scaldato attraverso l’effetto Joule, applicando una differenza di potenziale che provoca il passaggio della corrente nel pezzo. Questa struttura ´e disegnata attraverso l’utilizzo di software CAD e analizzato fluidodinamicamente attraverso simulazioni CFD, eseguite tramite il software open-source OpenFOAM. L’analisi si è svolta partendo dalla verifica del riscaldamento della struttura, poi si è verificato l’abbattimento degli inquinanti con il precatalizzatore ed infine si è confrontato l’impatto di questo pezzo sull’intera linea di scarico. Infine, dopo l’analisi fluidodinamica, è stata svolta un’indagine preliminare per verificare le prestazioni a pieno carico attraverso il software gasdyn per simulazioni 1D. Lo studio è svolto considerando un motore ad accensione comandata ad alte prestazioni, tuttavia i risultati ottenuti possono essere estesi a diverse tipologie di motori, considerando sia combustibili differenti, fossili e sintetici, sia veicoli ibridi.