Progettazione e Analisi di Dispositivi di Riscaldamento Attivo per Ridurre le Emissioni Inquinanti da Avviamento a Freddo di Motori a Combustione interna a Benzina

In the last two decades, the increasing environmental concern in many countries worldwide has pushed the regulators to introduce more and more restrictive legislation on pollutant emissions for the automotive sector. This has led to a progressive revision of the emission limits and, at the same time, of the testing procedures. Under these challenging boundary conditions, engine combustion optimization, although fundamental to lower specific engine-out emissions, is not enough; very high after-treatment conversion efficiencies from the engine start-up onwards are necessary. The research undertaken in this work was a systematic exploration of the potential of active heating devices to improve the performance of exhaust after-treatment systems, particularly during the critical light-off phase. This phase is essential for emissions control, as the efficiency of the after-treatment system is significantly reduced when the engine and exhaust system are cold. The study focused on two main technologies: the fuel burner and the electrically heated catalyst (EHC), both of which were tested and analyzed through a combination of numerical simulations and experimental validation. The fuel burner, a device designed to introduce a controlled flame directly into the exhaust line to rapidly increase the after-treatment temperature, was first assessed through numerical simulations. These simulations were crucial in predicting how the burner would perform under various conditions and were conducted in both 1D and 3D CFD configurations to provide a comprehensive understanding of its operation. The geometry of the connection between the burner and the exhaust line was also optimized by means of simulations to ensure efficient heat transfer and minimal heat loss. Moreover, the simulations allowed to investigate the effects of varying the pre-heating duration (how long the burner operated before the engine was started) on the tail pipe emissions output. To validate these simulations, experimental trials were conducted on a prototype fuel burner. The fuel burner operation was optimized to achieve a repeatable start-up, to minimize emissions during the burner operation (burner-out emissions), and to maximize the thermal output. The results from these experiments were crucial, demonstrating that the fuel burner could significantly reduce the cumulative tailpipe emissions when compared to passive heating strategies. Parallel to the fuel burner investigation, the research also concentrated on the EHC, which uses electrical energy to heat the after-treatment. Similar to the fuel burner, the EHC was evaluated using both 1D and 3D CFD simulations. These simulations were designed to predict how effectively the EHC could raise the temperature of the after-treatment system to its light-off temperature. The models took into account various factors, such as the electrical energy and power input, and the heat transfer characteristics of the after-treatment system. Following the simulations, a dedicated experimental campaign took place. The experiments were critical for two main reasons: they validated the accuracy of the simulation models and provided real-world data on the performance of the EHC. Moreover, pre-heating strategies for the EHC were investigated, analyzing how activating the device before the engine start-up affected the overall efficiency of the after-treatment system. The research demonstrated that EHC could improve the conversion of pollutants during the initial cold start phases, outperforming passive catalyst heating strategies. The comparative analysis between the fuel burner and the EHC highlighted that both technologies could significantly reduce cumulative tailpipe gaseous emissions during engine cold starts.

La crescente preoccupazione ambientale in molti paesi del mondo, ha spinto le istituzioni a introdurre legislazioni sempre più restrittive sulle emissioni inquinanti nel settore automobilistico. Ciò ha portato a una progressiva revisione dei limiti sulle emissioni e, allo stesso tempo, delle procedure di test. L'ottimizzazione della combustione del motore, sebbene fondamentale per ridurre le emissioni in uscita dal motore, non è sufficiente per rispettare tali limiti; sono necessarie efficienze di conversione molto elevate da parte dei dispositivi di post-trattamento dei gas di scarico fin dall'avvio del motore. La ricerca condotta in questo studio, riguarda la definizione e l’analisi di dispositivi di riscaldamento attivo, per migliorare le prestazioni dei sistemi di post-trattamento dei gas di scarico, in particolare durante la fase critica di avviamento a freddo. Questa fase è essenziale per il controllo delle emissioni, difatti, l'efficienza del sistema di post-trattamento si riduce significativamente quando il motore e il sistema di scarico sono freddi. Lo studio si è concentrato su due tecnologie principali: il bruciatore di combustibile e il catalizzatore riscaldato elettricamente (EHC), entrambi testati e analizzati attraverso una combinazione di simulazioni numeriche e test sperimentali. Il bruciatore di combustibile, un dispositivo progettato per introdurre una fiamma controllata direttamente all’interno della linea di scarico (al fine di aumentare rapidamente la temperatura del post-trattamento), è stato in una prima fase valutato attraverso simulazioni numeriche. Queste simulazioni (condotte in ambiente sia 1D che 3D) sono servite per prevedere il comportamento del bruciatore in diverse condizioni di utilizzo. La geometria della connessione tra il bruciatore e la linea di scarico è stata anch’essa ottimizzata mediante simulazioni per garantire un efficiente trasferimento di calore dal bruciatore al post-trattamento dei gas di scarico. Inoltre, le simulazioni hanno permesso di investigare gli effetti della variazione della durata del preriscaldamento (quanto tempo il bruciatore è in funzione prima dell'avvio del motore) sulle emissioni allo scarico Per validare queste simulazioni, sono state condotte prove sperimentali su un prototipo di bruciatore. Il funzionamento del bruciatore è stato ottimizzato per ottenere un avviamento ripetibile, minimizzare le emissioni durante il funzionamento del bruciatore stesso (emissioni del bruciatore) e massimizzare l'output termico diretto verso il post-trattamento. I risultati di questi esperimenti hanno dimostrato che il bruciatore può ridurre significativamente le emissioni allo scarico rispetto a strategie di riscaldamento passivo. Parallelamente all'indagine sul bruciatore, la ricerca si è concentrata anche sull'EHC, che utilizza energia elettrica per riscaldare il post-trattamento dei gas di scarico. Analogamente al bruciatore, l'EHC è stato valutato mediante simulazioni CFD sia 1D che 3D. Queste simulazioni hanno permesso di prevedere quanto efficacemente l'EHC po aumentare la temperatura del sistema di post-trattamento fino ad arrivare alla sua temperatura di attivazione. I modelli hanno preso in considerazione vari fattori, come ad esempio l'energia e la potenza elettrica impiegate. A seguito delle simulazioni, è stata condotta una campagna sperimentale dedicata. Gli esperimenti hanno convalidato l'accuratezza dei modelli di simulazione e hanno fornito dati reali sulle prestazioni dell'EHC. Inoltre, sono state studiate diverse strategie di preriscaldamento per l'EHC, analizzando come l'attivazione del dispositivo prima dell'avvio del motore influenzasse l'efficienza complessiva del sistema di post-trattamento. La ricerca ha dimostrato che l'EHC può migliorare la conversione degli inquinanti durante le fasi iniziali di avviamento a freddo, superando in efficacia le strategie di riscaldamento passivo del catalizzatore.