Degradation testing of Urea Quality Sensors (UQS)

To reduce NOx emissions, new generation diesel engine vehicles are equipped with a Selective Catalytic Reduction device fed with a urea-water solution commercially named AdBlue (32.5 % urea content) stored on board in a tank, where the urea concentration must be monitored to achieve the proper functioning of SCR. For some vehicles, an anti-fraud Urea Quality Sensor (UQS) is dipped into this tank to measure the urea concentration in order to avoid dilution of this fluid. These sensors experienced in past anomaly in measurements, hence a study on UQSs is performed in this thesis. Two types of sensors operating with different technologies are studied: sensor A measures the refractive index, instead sensor B measures the thermal coefficient of the solution. Urea has the tendency to decompose at temperatures slightly higher than 50 °C to form ammonia, a corrosive and aggressive component considered to be responsible for sensor malfunctioning. Ammonia formation reaction was studied with kinetic tests and its effect on sensors is investigated with other experiments dipping the devices in urea-ammonia solutions. Kinetic tests are conducted in a range of 60-80 °C to investigate ammonia velocity formation at different temperatures. Besides, pre-exponential factor and activation energy are derived: k_0=1.731*10^14 mol/(l*h) E_a=109.82 kJ/mol Tests at different temperatures and ammonia concentrations on the UQSs are conducted to study the effect on sensors degradation and reliability for both technologies. Temperature and ammonia proved to have a deterioration effect on UQSs.

Per ridurre le emissioni di NOx, i veicoli diesel di nuova generazione sono dotati di un sistema Selective Catalytic Reduction alimentato da una soluzione acquosa di urea commercialmente denominata AdBlue (32.5% contenuto di urea) stoccata a bordo in un serbatoio, dove la concentrazione di urea deve essere monitorata per garantire il corretto funzionamento dell’SCR. Per alcuni di questi veicoli un dispositivo antifrode Urea Quality Sensor (UQS) è immerso nel serbatoio per misurare la concentrazione di urea ed evitare la diluizione di questo liquido. Questi sensori hanno registrato in passato anomalie nelle misurazioni, dunque l’obiettivo di questa tesi è uno studio del loro comportamento. Due tipi di sensori operanti con tecnologie diverse vengono considerati: i sensori A che misurano l’indice di rifrazione e i sensori B che invece misurano il coefficiente termico della soluzione in cui sono immersi. L’urea ha la tendenza a decomporsi a temperature leggermente maggiori di 50 °C per formare ammoniaca, un composto aggressivo e corrosivo considerato responsabile del malfunzionamento dei sensori. Si studia la reazione di formazione dell’ammoniaca con test cinetici così come il suo effetto sui sensori attraverso altri esperimenti in cui si immergono i dispositivi in soluzioni di urea e ammoniaca. Vengono condotti test cinetici in un range di 60-80 °C per determinare la velocità di formazione dell’ammoniaca a diverse temperature. Inoltre, si derivano il fattore pre-esponenziale e l’energia di attivazione, rispettivamente: k_0=1.731*10^14 mol/(l*h) E_a=109.82 kJ/mol Test a diverse temperature e concentrazioni di ammoniaca sono condotti sui sensori UQS per studiarne l’effetto sul degrado e affidabilità per entrambe le tecnologie. La temperatura e la presenza di ammoniaca hanno dimostrato di avere un effetto deteriorante.