Analyse de la fusion de AdBlue dans systèmes SCR

Analysis of AdBlue melting in SCR systems

• Auteur / Autrice : Zejun Hu
• Direction : Laurent Royon, Dominique Gobin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Goupil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Fournaison, Erwin Franquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles

Simulation par ordinateur

Solidification

Urée

Chaleur -- Convection

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transferts de chaleur

Convection naturelle

Changement de phase solide-liquide

AdBlue

Solution d’urée

Analyse expérimentale

Modélisation numérique

Système SCR

Automobile

Heat transfer

Free convection

Solid-liquid phase change

AdBlue

Urea solution

Experimental analysis

Numerical modeling

SCR system

Automobile

Résumé

Le système SCR, utilisé pour la réduction d’émissions de NOx par les véhicules diesel, injecte dans le pot catalytique, une solution d’urée (AdBlue®) qui est susceptible de se solidifier lorsque la température extérieure devient inférieure à -11.4°C. Pour éviter ce problème de congélation, des éléments chauffants sont intégrés au réservoir, qui sont mis en fonctionnement grâce à la transmission du signal fournit par une sonde de température à l’algorithme de contrôle. Ce travail, qui s’inscrit dans le cadre d’une stratégie de conception et d’optimisation, porte sur le développement d’un modèle numérique permettant de prédire en fonction du nombre d’éléments chauffants intégrés au système SCR et de leur puissance, le volume d’AdBlue liquide utilisable. Une partie du travail comprend des expérimentations développées pour étudier la fusion d’AdBlue dans une cavité parallélépipédique soumis à des conditions de températures ou de flux constants sur les parois. La cinétique de l'interface liquide-solide a été enregistrée grâce à une caméra et les distributions de température dans le matériau à changement de phase ont été mesurées par des thermocouples. Cette campagne d’expériences permet d’évaluer la cinétique de fusion pour différentes conditions aux limites (flux ou température de parois constant) et constitue une base de données expérimentales pour la fusion de ce produit commercial. Un modèle numérique original 3D, reposant sur la méthode des volumes finis, est proposé pour résoudre le couplage des transferts de chaleur par convection naturelle avec la dynamique de changement d’état solide-liquide. Une bonne concordance est obtenue entre les expériences et les résultats de la simulation pour des conditions de chauffage par les parois latérales. Dans le cas d’un chauffage par le bas du réservoir, le changement de volume provoqué par le changement de phase solide-liquide induit la création et le grossissement d’une masse gazeuse tout au long du processus qui se retrouve piégé au niveau de l’interface solide-liquide. Un algorithme, spécifiquement développé pour tenir compte de la phase gazeuse qui influence fortement les transferts, montre des résultats très comparables à l’expérience, validant ainsi cette approche. Dans le cas de la fusion de l’AdBlue dans un réservoir de grande taille à géométrie complexe, les résultats de la simulation montrent un accord satisfaisant avec les données expérimentales, pouvant ainsi envisager son utilisation pour valider les stratégies de conception et de contrôle du sous-système des réchauffeurs.

The SCR system, used for the reduction of NOx emissions by diesel vehicles, injects into the catalytic converter a solution of urea (AdBlue®) which solidifies when the temperature outside falls below -11.4 °C. To avoid this problem of freezing, heating elements are integrated in the tank, which are put into operation thanks to the signal transferred from a temperature sensor to the control algorithm. This work, which is addressed to the strategical design and optimization of the SCR system, focuses on the development of a numerical model for predicting the usable liquid volume of AdBlue based on the number of heating elements and their power. A part of the work includes experiments investigated to study the AdBlue melting in a parallelepiped container with constant temperature or heat flux conditions on the walls. The kinetics of the liquid-solid interface were recorded by a camera and the temperature distributions in the phase change material were measured by thermocouples. This experiments allow to evaluate the kinetics of fusion for different boundary conditions (temperature or heat flux) and to constitute an experimental database for the melting of this commercial product. An original 3D numerical model, based on the finite volume method, is proposed to solve the coupling of the convective heat transfer with the solid-liquid phase change dynamics. Good agreement is obtained between simulation results and experiments for heating from sidewalls. In the case of heating from the bottom, the volume change caused by the solid-liquid phase change induces the creation and the enlargement of a gaseous void throughout the melting process which is trapped at the solid-liquid interface. An algorithm, specifically developed to take into account the gaseous void that strongly influences the heat and mass transfers, shows similar results to the experiments, thus validating this approach. In the case of the AdBlue fusion in a large complex geometry tank, the simulation results show a satisfying agreement with the experimental data, which could be used for validating the design and control strategies of the heating subsystem