Experimental Investigation of the Effect of Static Mixer Use on NOx Emissions in a Selective Catalytic Reduction (SCR) System

Year 2024, Volume: 5 Issue: 1, 143 - 153, 26.06.2024

Şükrü Ayhan Baydır , Emrah Erçek

https://doi.org/10.55546/jmm.1481871

Abstract

Various emission control systems are used to reduce NOx emissions from diesel engines due to their adverse effects on living organisms and the environment. To meet Euro-6 standards, diesel engines need to reduce NOx emissions by approximately 60% compared to Euro 5 standards. NOx reduction technologies have been developed to meet these regulations, and Selective Catalytic Reduction (SCR) is one of the most effective methods. In this study, the effect of a static mixer on NOx emissions was investigated by installing an SCR system on a single-cylinder diesel engine. Experiments were conducted at six different Diesel Exhaust Fluid (DEF) flow rates (80, 160, 240, 320, 400, and 480 mg/s) while the average exhaust gas temperature was in the range of 345-350°C and the injected DEF temperature was at ambient conditions. Percentage differences in NOx conversion values between cases with and without a static mixer in the system for six different DEF flow rates were calculated as 0.07%, 3.01%, 16.63%, 15.97%, 0.39%, and 0.1%, respectively. A significant improvement of 17% in NOx conversion rate was observed, especially at a DEF flow rate of 240 mg/s when a static mixer was added to the system. Consequently, experiments have determined the optimum conditions in SCR systems, achieving the best NOx conversion, minimizing DEF consumption, and reducing adverse conditions such as sediment formation in the system, thereby enhancing system efficiency.

Keywords

SCR, NOx, Static mixer, Diesel exhaust fluid, Exhaust emission, Diesel engine

Project Number

Afyon Kocatepe Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 20.FEN.BİL.27

Seçici Katalitik İndirgeme (SCR) Sisteminde Statik Karıştırıcı Kullanımının NOx Emisyonlarına Etkisinin Deneysel İncelenmesi

Abstract

NOx emisyonlarının canlılar ve çevre üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı dizel motorlardan kaynaklanan NOx emisyonlarını azaltmak için çeşitli emisyon kontrol sistemleri kullanılmaktadır. Euro-6 standartlarının karşılanabilmesi için dizel motorlarında NOx emisyonlarının Euro 5 standartlarına göre yaklaşık %60 oranında azaltılması gerekmektedir. Bu kuralları karşılamak için NOx azaltma teknolojileri geliştirilmiştir ve Seçici Katalitik İndirgeme (SCR), bu düzenlemeleri karşılamak için en etkili yöntemlerden birisidir. Bu çalışmada tek silindirli bir dizel motora SCR sistemi kurularak statik karıştırıcının NOx emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Ortalama egzoz gazı sıcaklığı 345-350 °C aralığında ve püskürtülen Dizel Egzoz Sıvısı (DEF) sıcaklığı oda şartlarında iken altı farklı (80, 160, 240, 320, 400 ve 480 mg/s) DEF debisinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu debi değerlerinde sistemde statik karıştırıcı olduğu ve olmadığı durumlarda NOx dönüşüm değerleri arasındaki yüzdesel farklar 6 farklı DEF debisine göre sırasıyla %0,07, %3,01, %16,63, %15,97, %0,39 ve %0,1 olarak hesaplanmıştır. Sisteme statik karıştırıcı eklendiğinde özellikle 240 mg/s DEF debisinde NOx dönüşüm oranında %17’lik belirgin bir iyileşme tespit edilmiştir. Sonuç olarak yapılan deneyler ile SCR sistemlerinde optimum şartların belirlenmesi ile en iyi NOx dönüşümünün sağlandığı, minimum DEF tüketiminin elde edilebildiği ve sistemde tortu oluşması gibi olumsuz durumları azaltarak sistem verimliliğini artıran veriler elde edilmiştir.

Keywords

SCR, NOx, Statik karıştırıcı, Dizel egzoz sıvısı, Egzoz emisyon, Dizel motor

Supporting Institution

Afyon Kocatepe Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 20.FEN.BİL.27

Project Number

Afyon Kocatepe Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 20.FEN.BİL.27

Thanks

Bu çalışma Afyon Kocatepe Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 20.FEN.BİL.27 nolu proje kapsamında desteklenmiştir. Yazarlar desteklerinden dolayı BAP birimine, proje kapsamında görev alan elektronik altyapının hazırlanmasında destek veren Manisa Celâl Bayar Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümünden Sayın Doç. Dr. İsmail YABANOVA’ya, motor test düzeneğinin hazırlanmasında destek veren Afyon Kocatepe Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği Bölümünden Sayın Doç. Dr. Yaşar Önder ÖZGÖREN’e, Katalizör malzemesinin tedarikinde ve bilgisinde desteğini esirgemeyen Mersin Üniversitesi Otomotiv Teknolojisi Bölümünden Sayın Doç. Dr. İbrahim Aslan REŞİTOĞLU’na teşekkür eder.

References

• Abdulhamid, J., Bhanuprakash, T. V. K., Rao, P. V. J. M., Numerical Analysis of the Effect of Static Mixer on SCR System Performance of Marine Diesel Engine. International Journal of Engineering and Techniques 3(5), 183–188, 2017.
• Anonymous, 2023a. ANTOR 3LD510 Use and Maintenance Manual, https://anadolumotor.com/_docs/uploads/pdf/ANTOR_3LD510_Kullanim_Bakim_El_Kitapcigi_TR_ENG_FR.pdf(Erişim Tarihi: 13.02.2023).
• Anonymous, 2023b. BEA 060-Bosch Emissions Analysis-Technical Data, http://mediathek.bosch-automotive.com/files/bosch_wa/989/182.pdf(Erişim Tarihi: 13.02.2023).
• Anonymous, 2023c. Diesel Systems Denoxtronic 2.2 – Urea Dosing System for SCR systems - Technical Features, https://www.yumpu.com/en/document/read/7945158/diesel-systems-denoxtronic-22-bosch-automotive-technology(Erişim Tarihi: 13.02.2023).
• Anonymous, 2023d. The dosing module is designed to inject AdBlue® into the exhaust system-Technical specifications, https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/exhaust-gas-treatment/dosing-module-cv/(Erişim Tarihi: 13.02.2023).
• Braun, P., Rabl, H., Matysik, F., Investigations on the Liquid‐Phase Decomposition of AdBlue Urea for the Selective Catalytic Reduction Process. Chemie Ingenieur Technik, 91(7), 961–968, 2019.
• Erçek, E., Baydır, Ş. A., A Study on the Effect of Injection Injection Amount on NOx Emissions in the Selective Catalytic Reduction (SCR) System in a Single Cylinder Diesel Engine. International Journal of Automotive Science And Technology, 7(1), 37–43, 2023a.
• Erçek, E., Baydır, Ş. A., Tek Silindirli bir Dizel Motoru için Seçici Katalitik İndirgeme (SCR) Sistemi Tasarımı ve İmalatı, The 3rd International Symposium on Automotive Science and Technology (ISASTECH 2023), Ankara, 7-8 Eylül, pp: 546–560 ,2023
• Kurzydym, D., Żmudka, Z., Perrone, D., Klimanek, A., Experimental and numerical investigation of nitrogen oxides reduction in diesel engine selective catalytic reduction system. Fuel, 313, 2022.
• Reşitoğlu, İ. A., Effect of Catalyst Used in Exhaust Line on Emission Characteristics of a Single-Cylinder Diesel Engine. Journal of Current Research on Engineering, Science and Technology, 6 (2), 95-102, 2020.
• Stelzer, D. M., Design and Evaluation of an Improved Mixer for a Selective Catalytic Reduction System, University of Toronto Graduate Department of Mechanical Engineering & Industrial Engineering, Master Thesis, 2014.
• Wang X., Song G., Wu .Y, Yu L., Zhai Z. A., NOx emission model incorporating temperature for heavy-duty diesel vehicles with urea-SCR systems based on field operating modes. Atmosphere (Basel) 10(6), 2019.
• Zhu, Y., Zhou, W., Xia, C., Hou, Q., Application and Development of Selective Catalytic Reduction Technology for Marine Low-Speed Diesel Engine: Trade-Off among High Sulfur Fuel, High Thermal Efficiency, and Low Pollution Emission. Atmosphere, 13(5), 731, 2022.