Experimental Study of the Urea-Water Solution Injection Process

Abstract

[ES] La industria y la comunidad investigadora están trabajando para desarrollar herramientas y tecnologías que contribuyan a la reducción de emisiones contaminantes. Uno de los sectores afectados por la normativa anticontaminación es el transporte. Nuevas tecnologías están evolucionando, especialmente componentes de los sistemas de inyección, diseño de cámaras de combustión, elementos de postratamiento, la hibridación, entre otros. Los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) han sido una de las claves para alcanzar los objetivos de las normativas de emisiones, especialmente de Óxidos Nitrosos (NO𝑥). La tecnología SCR se emplea para eliminar los NO𝑥 presentes en los gases de escape de un motor. El proceso de inyección de la solución de urea-agua (UWS) determina las condiciones iniciales para la mezcla y evaporación del fluido en el sistema de reducción catalítica selectiva. Para un correcto funcionamiento, el inyector UWS debe dosificar una cantidad adecuada de líquido en el tubo de escape para evitar la formación de depósitos y garantizar la eficiencia del post-tratamiento. Esta tarea requiere la caracterización hidráulica del inyector y de la evolución del spray. El objetivo de esta tesis es la comprensión de los procesos de inyección de solución urea-agua en condiciones de funcionamiento realistas, similares a las que se encuentran en un tubo de escape de motor. Para ello, este trabajo se centra en el desarrollo de nuevas instalaciones experimentales que permitan realizar la caracterización hidráulica combinando medidas de flujo de cantidad de movimiento y masa inyectada. Posteriormente, el chorro de UWS se visualiza aplicando técnicas ópticas a varios niveles de temperatura y flujo másico de aire, en un banco de pruebas diseñado para este propósito. En cuanto a la caracterización hidráulica del inyector de UWS, el método se basa en medir el flujo de cantidad de movimiento para comprender la influencia de diferentes variables como el fluido inyectado, la presión de inyección, entre otros. Las medidas se realizaron utilizando una instalación experimental desarrollada en CMT-Motores Térmicos para la determinación del flujo de cantidad de movimiento, la cual fue modificada para cumplir con los requisitos de operación de estos inyectores. Además, la masa inyectada se obtiene experimentalmente para las mismas condiciones de funcionamiento. La metodología propuesta permitió calcular el flujo másico de estos atomizadores de baja presión, así como el coeficiente de descarga, que son datos útiles para futuras actividades de modelado. Se diseñó una instalación experimental para estudiar la atomización del fluido UWS en condiciones similares a las del tubo de escape del motor. La evolución del spray se caracterizó desde el punto de vista macroscópico, desarrollando una metodología para la determinación de la penetración y del ángulo del chorro. El método se basa en la configuración óptica conocida como diffused-back-light en una configuración de campo lejano. La penetración del spray se dividió en dos zonas: el inicio del chorro y el cuerpo principal. Se observó que la parte inicial del spray inyectado no se ve particularmente afectada por la presión de inyección sino más bien por la temperatura de la camisa de enfriamiento del inyector. El proceso de atomización se investigó mediante la misma técnica de diagnóstico óptico, diffused-back-lighting, acoplado a una lente microscópica especial. Se cuantificó la distribución del diámetro de las gotas y la velocidad de las gotas (en los componentes axial y tangencial) del chorro, en diferentes niveles de presión de inyección y flujo de aire. Se empleó una cámara de alta velocidad para capturar las imágenes de la fase líquida, comparando las gotas de líquido atomizado en tres regiones diferentes del chorro. Como resultado de este estudio, se puede observar que una mayor presión de inyección produce más gotas con diámetros menores favoreciendo el proceso de atomización.

[CA] Noves tecnologies estan evolucionant, especialment components dels sistemes d'injecció, disseny de cambres de combustió, elements de posttractament, la hibridació, entre altres. Els sistemes de reducció catalítica selectiva (SCR) han sigut una de les claus per a aconseguir els objectius de les normatives d'emissions, especialment d'Òxids Nitrosos (NO𝑥). La tecnologia SCR s'empra per a eliminar els NO𝑥 presents en els gasos de fuita d'un motor. El procés d'injecció de la solució d'urea aigua (UWS) determina les condicions inicials per a la mescla i evaporació del fluid en el sistema de reducció catalítica selectiva. Per a un correcte funcionament, l'injector UWS ha de dosar una quantitat adequada de líquid en el tub d'escapament per a evitar la formació de depòsits i garantir l'eficiència del post-tractament. Aquesta tasca requereix la caracterització hidràulica de l'injector i de l'evolució de l'esprai. L'objectiu d'aquesta tesi és la comprensió dels processos d'injecció de solució urea-aigua en condicions de funcionament realistes, similars a les que es troben en un tub d'escapament de motor. Per a això, aquest treball se centra en el desenvolupament de noves instal·lacions experimentals que permeten realitzar la caracterització hidràulica combinant mesures de flux de quantitat de moviment i massa injectada. Posteriorment, el doll de UWS es visualitza aplicant tècniques òptiques a diversos nivells de temperatura i flux màssic d'aire, en un banc de proves dissenyat per a aquest propòsit. Quant a la caracterització hidràulica de l'injector de UWS, el mètode es basa a mesurar el flux de quantitat de moviment per a comprendre la influencia de diferents variables com el fluid injectat, la pressió d'injecció, la contrapressió i la temperatura del sistema sobre les característiques del flux. Les mesures es van realitzar utilitzant una instal·lació experimental desenvolupada en CMT-Motores Térmicos per a la determinació del flux de quantitat de moviment, la qual va ser modificada per a complir amb els requisits d'operació d'aquests injectors. A més, la massa injectada s'obté experimentalment per a les mateixes condicions de funcionament. La metodologia proposada va permetre calcular el flux màssic d'aquests atomitzadors de baixa pressió, així com el coeficient de descàrrega, que són dades útils per a futures activitats de modelatge. Es va dissenyar una instal·lació experimental per a estudiar l'atomització del fluid UWS en condicions similars a les del tub d'escapament del motor. L'evolució de l'esprai es va caracteritzar des del punt de vista macroscòpic, desenvolupant una metodologia per a la determinació de la penetració i de l'angle del doll. El mètode es basa en la configuració òptica coneguda com diffusedback-light en una configuració de camp llunyà. La penetració de l'esprai es va dividir en dues zones: l'inici del doll i el cos principal. Es va observar que la part inicial de l'esprai injectat no es veu particularment afectada per la pressió d'injecció sinó més aviat per la temperatura de la camisa de refredament de l'injector. El procés d'atomització es va investigar mitjançant la mateixa tècnica de diagnòstic òptic, diffused-back-lighting, acoblat a una lent microscòpica especial. Es va quantificar la distribució del diàmetre de les gotes i la velocitat de les gotes (en els components axial i tangencial) del doll, en diferents nivells de pressió d'injecció i flux d'aire. Es va emprar una càmera d'alta velocitat per a capturar les imatges de la fase líquida, comparant les gotes de líquid atomitzat en tres regions diferents del doll: la primera prop de l'eixida de la tovera i les altres dues a la regió desenvolupada de l'esprai, una alineada amb l'eix de l'injector i l'altra en la perifèria del mateix. Com a resultat d'aquest estudi, es pot observar que una major pressió d'injecció produeix més gotes amb diàmetres menors afavorint el procés d'atomització.

[EN] One of the sectors affected by the anti-pollution regulations is the transportation, since it is responsible for around 20% of the green house gases emissions production. New technologies are evolving, especially subsystems as fuel injection components, combustion design, after-treatment and hybridization. The SCR has been one of the most important to reach the emission targets, specially for Nitrous Oxides (NO𝑥). The SCR technology is employed in the elimination of the NO𝑥 present in the exhaust gases of a combustion engine. The injection process of the urea-water solution (UWS) determines the initial conditions for the mixing and evaporation of the fluid in the selective catalytic reduction system. For a proper operation, the UWS injector must dose an adequate amount of liquid into the exhaust pipe to avoid deposit formation and to guarantee the SCR system efficiency. This task requires the knowledge of the performance of the injector and the evolution of the spray. The goal of this thesis is the comprehension of the urea-water solution injection processes under realistic operating conditions, similar to those of an engine exhaust pipe. To this end, this work focuses on the development of new experimental facilities that enable to perform the hydraulic characterization combining momentum flux measurements and injected mass. Afterwards, the UWS jet is visualized by applying optical techniques at various levels of air temperature and mass flow, in a novel test rig designed for this purpose. Regarding to the hydraulic performance of the UWS injector, the approach is based on measuring the spray momentum flux in order to understand the influence of different variables as injected mass, injection pressure, back pressure and cooling temperature on the flow characteristics. The measurements were carried out using an experimental facility developed at CMT-Motores Térmicos for the determination of spray momentum flux, where the configuration of the system was customized to fulfill the injector operation requirements. Also, the injected mass is obtained experimentally for the same operating conditions. The proposed methodology allowed to calculate the mass flow rate of this low pressure atomizers and the discharge coefficients, which are useful data for future computer modeling activities. A dedicated test facility was designed to study UWS spray under conditions that resemble those of the engine exhaust pipe. The liquid spray evolution is characterized from the macroscopic point of view, developing a methodology for the determination of the spray penetration and spreading angle. The method is based on the optical setup known as back-light in a far-field configuration. The spray penetration was divided in two zones, the spray burst and the body, where it was observed that the initial part of the injected spray is not particularly affected by the injection pressure but was rather influenced by the cooling temperature of the injector. Besides, the liquid atomization process of the UWS dosing system is investigated using optical diagnosis through back-light imaging coupled with a special lens. The droplet diameter distribution and the droplet velocity (in the injector axial and tangential components) of the liquid spray are quantified under different air flow and injection pressure levels. A high-speed camera was used for capturing the liquid phase images, comparing the atomized liquid drops in three different regions of the plume: the first one near the nozzle exit, and the other two in the developed region of the spray, one aligned with the injector axis and the other at the spray periphery. The results of this study demonstrated that injection pressure produces more droplets with smaller diameters favoring the atomization process.