Development of cfd models for the simulation of advanced emission control systems for high-performance internal combustion engines

In the context of the decarbonization process of the on-road mobility, the technological development of internal combustion engines is still considered crucial, as a strategic technology in the mix of energy and powertrain pathways aimed at speeding up such transition. After-treatment systems have to be adopted to completely address the pollutants generated during the combustion processes, while the evolution towards cleaner powertrain and stricter emission limits requires to deeply investigate the behavior of such systems and of automotive exhaust lines. The proposed research project is aimed at providing a numerical framework able to properly tackle the description of innovative after-treatment systems, performing detailed numerical simulations of advanced thermal management strategies for high-performance internal combustion engines aftertreatment systems. The performed evaluations include the simulation of exhaust line featured by the adoption of specific heat-up technologies, such as burner-like systems, innovative pre-catalyst structure and electrically heated catalysts. The analysis is extended considering the induction of fuel post-oxidation in the exhaust line, via dedicated fuel and secondary air injection strategy. In view of future applications, the appointed thermal management strategy, i.e. fuel post-oxidation, is applied to hydrogen fuelled internal combustion engines. Finally, the control of pollutant emissions from hydrogen-fuelled engine (via in-cylinder calibrations) with the perspective of the application to high-performance is discussed, along with a preliminary assessment of the conversion capability of state-of-the-art after-treatment systems.

Nel processo sempre più attuale di decarbonizzazione della mobilità, lo sviluppo tecnologico dei motori a combustione interna è ancora considerato cruciale, vista come tecnologia strategica nel mix dei percorsi energetici volti ad accelerare tale transizione. I sistemi di post-trattamento devono essere adottati per abbattere gli inquinanti generati durante i processi di combustione, mentre l’evoluzione verso propulsori più puliti e limiti di emissione più severi richiedono di indagare a fondo il comportamento di tali sistemi. Il progetto di ricerca proposto mira a fornire un approccio numerico in grado di descrivere in maniera approfondita sistemi di post-trattamento innovativi, eseguendo simulazioni dettagliate di strategie avanzate di gestione termica per sistemi di post-trattamento di motori a combustione interna ad alte prestazioni. Le valutazioni eseguite includono la simulazione dell’adozione di specifiche tecnologie di riscaldamento, come sistemi con bruciatori, strutture innovative con la funzione di pre-catalizzatori e catalizzatori riscaldati elettricamente. L’analisi viene inoltre estesa considerando fenomeni di post-ossidazione del carburante nella linea di scarico, tramite strategie dedicate di iniezione e aria secondaria. In vista di applicazioni future, quest’ultima strategia di gestione termica, ovvero la post-ossidazione del carburante, è stata considerata per motori a combustione interna alimentati a idrogeno. Infine, viene discusso il controllo delle emissioni inquinanti in caso di motori alimentati a idrogeno, con la prospettiva dell’applicazione ad alte prestazioni, insieme ad una valutazione preliminare della capacità di conversione di sistemi di post-trattamento standard in questo contesto.