Numerical investigation on a SCR mixer concept based on electrical heated POCS

The aim of this Thesis is the design and a possible implementation of a SCR mixer on an electrical heated POCS in order to increase the rate of pollutant abatement reactions in conventional diesel engines and innovative heavy-duty H2 engines. It is well known European Union, through European emission standards, is imposing a series of gradually restricting limits on emissions of the vehicles sold in the Union. In particular, for heavy-duty H2 engines like the ones that deal with this Thesis, the actual Euro VI standard establishes a limit of 0.40 g/kWh for NOx emissions in steady-state conditions and of 0.46 g/kWh for transients. At first, it has been analyzed the possibility to adopt this device to traditional diesel engines to reduce the amount of greenhouse gases like CO and CO2 by means of a JouleHeating implementation, then it has been studied its introduction in innovative applications like H2 heavy-duty internal combustion engines. Although hydrogen combustion in a reactor has steam as the only product, since it is characterized by higher lower heating value (LHV) if compared to traditional fuels, the temperature inside the cylinder tends to increase a lot, leading to the oxidation of the nitrogen present in air, that gives rise to the formation of nitrogen oxides, favoured by high temperatures. To find a solution to this issue, a POCS has been developed, especially focusing on a geometry able to efficiently reduce those emissions. Considerations on the device performances have been made based on tridimensional numerical simulation results provided by the open-source software OpenFOAM.

Contenuto di questa Tesi è la progettazione e la possibile implementazione di un mixer SCR con un POCS preriscaldato elettricamente, con l’obiettivo di favorire le reazioni di abbattimento dei contaminanti in veicoli convenzionali a diesel, oltre che in applicazioni innovative come veicoli pesanti ad idrogeno. È infatti noto come l’Unione Europea, attraverso degli standard europei sulle emissioni inquinanti, stia imponendo una serie di limitazioni via via sempre più stringenti sulle emissioni dei veicoli venduti negli Stati membri dell’Unione. In particolare, per motori di grande cilindrata come quelli oggetto di questa Tesi, l’attuale standard Euro VI prevede un limite superiore di 0.40 g/kWh per quanto riguarda le emissioni di NOx in condizioni stazionarie e di 0.46 g/kWh per regimi transitori. Nella prima parte della trattazione, è stata analizzata la possibilità di adottare questi dispositivi a motori diesel per ridurre le emissioni di gas serra come CO e CO2 implementando un riscaldamento per effetto Joule, mentre successivamente ne è stata studiata l’introduzione in applicazioni innovative come quella dei motori a combustione interna ad idrogeno per mezzi pesanti. Sebbene la combustione di idrogeno in un reattore abbia come prodotto il solo vapore acqueo, a causa dell’elevato potere calorifico inferiore (LHV) di quest’ultimo se paragonato a quello dei comuni combustibili fossili, all’interno del cilindro si raggiungono temperature piuttosto elevate che portano all’ossidazione dell’azoto presente nell’aria, con la conseguente formazione di ossidi di azoto, favorita a sua volta dalle alte temperature. Per risolvere le suddette problematiche, si è quindi sviluppato un POCS studiando in particolar modo una geometria in grado di abbattere efficacemente tali emissioni. Per valutare le performance del dispositivo ci si è basati sui risultati di simulazioni numeriche in ambiente tridimensionale ottenute con il software open-source OpenFOAM.