Analisi e progettazione di un “Urea Delivery Module” per sistemi catalitici SCR

Nell’ambito del continuo processo di sviluppo dei motori Diesel riveste sempre maggiore importanza la problematica dell’abbattimento delle emissioni di ossidi di azoto. La tecnologia della riduzione catalitica selettiva (SCR) per mezzo dell’ammoniaca sta trovando sempre maggior impiego. L’efficienza dimostrata nella conversione dei NOx supera il 95%. Da molti anni è stata applicata nel campo dei motori stazionari di grossa taglia e successivamente nel settore dei veicoli heavyduty. Oggi si sta ampiamente diffondendo anche nel trasporto light-duty e nelle autovetture di alta gamma. La presente memoria descrive il processo di progettazione di un sistema di alimentazione di urea che si va ad integrare in un sistema SCR completo. Le funzioni dell’Urea Delivery Module – UDM – sono quelle di aspirare il fluido AdBlue dal serbatoio, filtrarlo, pomparlo regolandone la pressione di mandata all’iniettore, provvedere allo sghiacciamento nel caso di partenze a freddo sino a -20°C grazie ad un opportuno heater elettrico, ospitare sensori di pressione, temperatura, qualità urea e livello urea nel serbatoio. L’attività, svolta in collaborazione con Magneti Marelli Powertrain ha portato allo sviluppo di un prototipo avanzato su cui sono in corso i primi test sperimentali. Le sfide principali che sono state affrontate nella progettazione sono state la compattazione del layout, l’integrazione con il serbatoio, l’analisi termo-fluidodinamica dedicata al problema dello scongelamento e non ultimo il contenimento di pesi e costi del prodotto. Lo sviluppo ha visto una prima fase di modellazione idraulica del sistema al fine di definire le performance e le specifiche del sistema, cui è seguita una fase di modellazione solida dei componenti e una analisi tridimensionale del problema dello scongelamento. Per quest’ultimo problema è stato realizzato un apposito modello CFD-3D multi-fase (liquido-solido) in grado di simulare il passaggio di stato (scongelamento). Nel dominio solido si risolve la conduzione descritta dall’equazione di Fourier, mentre nel dominio liquido viene risolta la dinamica di un liquido pesante descritto dalle equazioni di Navier-Stokes. Il calcolo è non stazionario e l’obiettivo è la determinazione del fronte di scongelamento nel tempo. Il modello ha permesso un’ottimizzazione della distribuzione delle sorgenti di potenza elettrica sin dalle prime fasi della progettazione, permettendo di impostare il design di tutto il sistema in maniera armonica con le esigenze termiche.