Numerical assessment of an innovative electrically heated porous POCS substrate for light-off time reduction in ICE after-treatment systems

In the last decades environmental sustainability and pollutant emissions reduction have been identified as challenges of primary importance by the European Commission. Along the way towards the achievement of the Green Deal by 2050 and the imminent coming into effect of the new Euro 7 legislation, a further reduction in pollutant emissions by road vehicles is required. Along with the utilisation of E-fuels, a step forward must be done in the field of After-Treatment Systems. Innovative solutions are required to reach higher efficiencies in pollutants conversion, and in this scenario this Thesis develops. The aim of this work is to design a porous POCS substrate for a catalytic ATS and analyse its performances in light-off time reduction and pollutants conversion efficiency. The structure is made of electric conductive material, and it is heated up during the first seconds after the engine start-up through Joule effect, which occurs when an electrical potential difference is applied to the system and current flows in it. The geometry has been designed with CAD software and all the study has been carried out with the CFD open-source software OpenFOAM. The first part of the work analyses, with a microscale model, how the electrical conductivity of the material changes with respect to the level of porosity. Then, a simplified macroscale model is validated and used for light-off time reduction and conversion efficiency analysis. A gasoline engine exhaust gas flow has been considered in the study, however the porous POCS is meant to be applied to different fuel-type vehicles, from fossil fuels to new renewable and synthetic E-fuels, and also hybrid vehicles, both to lean-mixture compression ignition and spark ignition engine vehicles.

Negli ultimi decenni la sostenibilità ambientale e la riduzione dell’emissione di sostanze inquinanti sono state identificate dalla Commissione Europea come sfide di importanza primaria. Per il raggiungimento degli obiettivi del Green Deal entro il 2050 e l’imminente entrata in vigore della normativa Euro 7, è richiesta un’ulteriore riduzione di emissione di inquinanti dai veicoli stradali. In aggiunta all’utilizzo di E-fuels, deve essere fatto un passo in avanti nel campo dei sistemi di post trattamento dei gas di scarico. Sono richieste soluzioni innovative per raggiungere maggiori efficienze di conversione degli inquinanti, ed è in questo contesto che si sviluppa questa Tesi. L’obiettivo è di progettare un substrato poroso per un sistema di post trattamento catalitico e di valutarne le prestazioni quali riduzione del tempo di entrata in funzione ed efficienza di conversione. La struttura in acciaio, materiale conduttore elettrico, viene scaldata nei primi secondi dopo l’avvio del motore tramite effetto Joule, fenomeno fisico dovuto all’applicazione di una differenza di potenziale nel sistema e alla circolazione di corrente elettrica. La geometria è stata disegnata con strumenti di CAD e lo studio è stato eseguito tramite il software di fluidodinamica OpenFOAM. La prima parte del lavoro considera un modello alla microscala e mira a valutare l’andamento della conduttività elettrica del materiale per diverse percentuali di porosità. Successivamente, un modello alla macroscala viene validato ed utilizzato per le analisi relative al tempo di entrata in funzione del sistema di conversione degli inquinanti e la sua efficienza. Per lo studio è stato considerato un flusso di gas di scarico tipico di un motore a benzina, anche se il POCS poroso è stato pensato per poter essere esteso a diverse tipologie di veicoli, comprendenti tutti i tipi di combustibili fossili, rinnovabili, sintetici e veicoli ibridi, i quali richiedono un sistema di abbattimento degli inquinanti.