Assessment of the NOx emissions of a hydrogen ICE vehicle in real driving cycle condition: implementation of a dedicated SCR model in a multiscale simulation methodology

In the shifting of the transport sector towards more clean solution, hydrogen is widely considered as one of the best alternative fuels for internal combustion engines, allowing to achieve zero CO2 emissions at the tailpipe. However, the NOx emission represent the main concern for this kind of solution, so new treating system are required. In this work, a study on a new SCR system is performed in a multiscale simulation methodology, from the engine to the vehicle and the ATS. Using a real CNG diesel engine used for delivery transportation, the conversion to H2 PFI engine is performed by controlling different pa- rameters like boost pressure, throttle valve opening and by using leaner condition for the combustion. The engine model is validated on the basis of experimental data available for the original CNG engine. Then the performance and efficiency are compared with the old CNG engine and a H2 DI one, and a raw emission evaluation is performed. Using a map based approach, after deriving the engine maps from Gasdyn, the new engine is tested on real driving cycle that simulates regional and urban condition using VECTO software, assessing for each of these cycles the total emission of the engine. Utilizing OpenFOAM, a innovative SCR model is defined, presenting the reaction scheme and kinetics for each reaction. The model after that is validated by the simulation of real experimental test for the main reaction, like adsorption and desorption of NH3, the NH3 oxidation and the standard SCR, confronting the gained results with the experimental one obtained in LCCP laboratory. At the end, the model is used for the abatement evaluation of NOx in both the driving cycle obtained, showing strength and drawbacks of this SCR system and comparing it with another SCR model called MB, which is used as benchmark for the effectiveness of the new model

Nel processo di transizione del settore dei trasporti verso soluzioni più pulite, l’idrogeno è ampiamente considerato uno dei migliori carburanti alternativi per i motori a combus- tione interna, in quanto consente di ottenere emissioni zero di CO2 allo scarico. Tuttavia, le emissioni di NOx rappresentano la principale criticità per questo tipo di soluzione, rendendo necessario lo sviluppo di nuovi sistemi di trattamento. In questo lavoro viene condotto uno studio su un nuovo sistema SCR utilizzando un metodologia muktiscala motore-veicolo-sistema ATS. Utilizzando un motore diesel impiegato per il servizio di consegne, è stata effettuata la conversione a motore a idrogeno con iniezione nel collettore (PFI), controllando diversi parametri come la pressione di sovralimentazione, l’apertura della valvola a farfalla e operando in condizioni di combustione più magre. Il nuovo motore è stato validato sulla base dei dati sperimentali ottenuti dal motore CNG originale, mentre le prestazioni e l’efficienza sono state confrontate con quelle del motore CNG e di un motore H2 con iniezione diretta (DI), ed è stata effettuata una valutazione delle emissioni al’uscita del cilindro. Adottando un approccio basato su mappe derivate dalle simulazioni in Gasdyn, il nuovo motore è stato testato su cicli di guida reali che simulano condizioni urbane e extraurbane, utilizzando diversi software come VECTO e Matlab, valutando per ciascun ciclo le emissioni totali del motore. Utilizzando OpenFOAM, è stato definito un nuovo modello SCR innovativo, presentando lo schema delle reazioni e la cinetica per ciascuna di esse. Il modello è stato poi validato mediante la simulazione di test sperimentali per le principali reazioni, come l’adsorbimento e la desorbimento dell’NH3, l’ossidazione dell’NH3 e la reazione SCR standard, confrontando i risultati ottenuti con quelli ottenuti sperimentalmente nel laboratorio LCCP. Successivamente, il modello è stato utilizzato per valutare l’abbattimento dei NOx nei due cicli di guida considerati, evidenziando i punti di forza e le criticità di questo sistema SCR e confrontandolo con un altro modello SCR chiamato MB, utilizzato come riferimento per valutare l’efficacia del nuovo modello.