Analysis and optimization of an after-treatment system by means of full-scale CFD simulations

By the end of the decade, the new European emission standards will be introduced, which will impose further restrictive limitations on the admitted level of pollutant emissions from vehicles. The emission tests will be extended to real driving conditions, including also the cold starts, during which the pollutant emissions are significantly high. Nowadays, considering gasoline spark-ignition engines, the after-treatment systems are constituted by a three-way catalyst, generally coupled with a gasoline particulate filter. In the optics of reducing the emissions during cold starts, reaching the light-off temperature as quickly as possible is crucial. In this thesis, different metallic catalyst substrate solutions will be investigated with the scope of improving their thermal efficiency by reducing the radial thermal losses through the outer mantle optimising its design. Currently, to meet the demand of low fuel consumption vehicles, reduced emissions and high-performance powertrains the car manufacturer points toward the use of turbocharging. Hence the need to properly model in the simulations the flow distribution at the inlet of the catalyst, generally positioned very close to the turbine exit. The development of a new boundary condition to replicate the swirling flow generated by the turbine will be also presented in this work. The study is carried out employing CFD simulations supported by experimental measurements for validating the computational models and their results. The models are developed based on the OpenFOAM code and a specific library implemented by the Internal Combustion Engine Group of Politecnico di Milano has been used for carrying out the simulations. A multi-region approach has been adopted, employing different grids for describing the fluid and the solid regions including the catalytic porous substrate and the metallic piping and canning. The CFD models have been initially validated with the temperature measures acquired on the flow bench. Then, in the future, these models will be applied to optimize the design of the outer mantle of the substrates.

Entro la fine del decennio verranno introdotte le nuove normative europee sulle emissioni dei veicoli, che imporranno ulteriori limitazioni restrittive al livello di emissioni inquinanti permesse. I test sulle emissioni saranno estesi alle condizioni di guida reali, comprese anche le partenze a freddo, durante le quali le emissioni di inquinanti sono molto elevate. Oggigiorno, considerando i motori ad accensione comandata a benzina, i sistemi di post-trattamento comunemente impiegati sono costituiti da un convertitore trivalente, generalmente accoppiato ad un filtro per particolato specifico. Nell'ottica della riduzione delle emissioni durante le partenze a freddo, è fondamentale raggiungere la temperatura d’innesco del convertitore il più rapidamente possibile. In questa tesi, verranno analizzate diverse soluzioni di substrati metallici con lo scopo di migliorarne la loro efficienza termica riducendo le perdite termiche radiali attraverso il mantello esterno ottimizzandone il design. Attualmente per soddisfare la domanda di veicoli a basso consumo di carburante, emissioni ridotte e motori ad alte prestazioni, le case automobilistiche stanno sempre più frequentemente adottando l'utilizzo di turbocompressori. Da qui la necessità di modellare adeguatamente nelle simulazioni la distribuzione di flusso all'ingresso del catalizzatore, generalmente posizionato vicino all'uscita della turbina. All'interno della tesi verrà anche presentato lo sviluppo di una nuova condizione al contorno per replicare il flusso vorticoso generato dalla turbina. Lo studio è condotto utilizzando simulazioni CFD supportate dalle misurazioni sperimentali per la validazione dei modelli computazionali e dei loro risultati. I modelli sono sviluppati sulla base del codice OpenFOAM e per l'esecuzione delle simulazioni è stata utilizzata una specifica libreria, implementata dal gruppo di motori a combustione interna del Politecnico di Milano. È stato adottato un approccio multi regione, impiegando mesh diverse per descrivere la regione fluida e quelle solide, comprendenti il substrato poroso catalitico e l’involucro metallico. I modelli CFD sono stati inizialmente validati con le misure di temperatura acquisite sul banco di flusso. Successivamente, in un futuro, questi modelli verranno poi impiegati per ottimizzare il design del mantello esterno dei substrati.