Λειτουργία καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων στο καυσαέριο βενζινοκινητήρων

Abstract

The particulate filter technology can be implemented in order to reduce particulate emissions from gasoline engines. Experience gained by decades of Diesel Particulate Filters (DPF) study and application, proved that mathematical modeling of the filtration, transport and reaction processes can facilitate in-depth understanding as well as support system design optimization and control.Despite being based on the same filtration and reaction engineering fundamentals, the relatively young Gasoline Particulate Filter (GPF) technology is subjected to considerably different conditions compared to the DPF. Due to the much lower engine-out particulate emissions of a gasoline engine compared to a Diesel engine, wall depth-filtration processes become exceptionally important. The filter regeneration conditions are also substantially different and almost exclusively met during the engine fuel cut-off events where the O2 availability is high, provided that the exhaust gas temperature is high enough as well. Furthermore, the washcoat in the case of a catalyzed GPF (cGPF), can significantly affect its filtration efficiency, pressure drop and regeneration potential. As a result, it was necessary to examine all aspects of a (c)GPF’s performance almost from the beginning. In this respect, a systematic experimental and modeling methodology to study, quantify and explain the underlying, governing mechanisms that take place in a cGPF, as well as the interactions between GPF and Three Way Catalyst (TWC) functionalities is presented within this dissertation.Initially a gasoline engine’s gaseous and solid emissions, their legislative limits, as well as the fundamental principles that govern the operation of catalyzed particulate filters are presented. Next, the filtration and pressure drop mechanisms that take place in a GPF at particulate-free and particulate-loaded state, as well as the mathematical equations used to model them are described. Emphasis is given to the flow distribution along the inlet, outlet channels and through the wall, in the case of both particulate-free and -loaded state.The effect of temperature, mass flow rate, particulate density, cell structure, wall micro-structure, washcoat loading and particulate loading on filtration and pressure drop performance is investigated next, based on the experimental results of thirteen different, bare and catalyzed substrate concepts. The impact of zone-coated walls on axial channel flow and consequently soot distribution, is demonstrated through a computational investigation and verified by experimental axial soot loading results. Having calibrated the filtration and permeability parameters of a considerable number of substrates, correlations between those parameters and the local washcoat loading were derived. Such correlations can be used as predictive tools to reduce the time and costs related to designing and developing exhaust after treatment systems.In the case of catalyzed GPFs, the reaction phenomena in the wall interplay with diffusion processes. In the context of this work, the catalytic reactivity and internal diffusion limitations of two cGPFs, as well as the interactions originating from the integration of TWC and GPF functionalities into a single reactor are investigated. The catalytic reactions that take place are discussed first, followed by the carefully designed experimental protocols used to identify, calibrate and validate the related mechanisms. The important effect of catalyst zoning and particulate accumulation on pollutant conversion, is evaluated by two model-based investigations.With respect to GPF regeneration, all possible soot oxidation mechanisms (via O2, NO2, H2O and CO2), are identified and discussed. The effect of temperature and oxygen concentration on soot oxidation, as well as the related parameterization process is presented next. The catalytic effect of non-carbonaceous ash compounds on soot oxidation chemistry and its greater importance for gasoline compared to Diesel applications, is highlighted.Eventually, the soot oxidation, filtration, pressure drop, TWC reactivity and species diffusion models are validated based on highly transient driving cycle conditions, where both particulate loading and oxidation take place. The effect of filter placement (Under-Floor (UF) or Close-Coupled (CC)) on passive regeneration capability and filtration performance is extensively analyzed based on both experimental and computational data. Moreover, the possibility of slower regeneration of a catalyzed GPF compared to a bare GPF of same properties due to the effect of O2 forward diffusion from the soot cake to the wall of the cGPF, is explained by means of a computational investigation.Within this dissertation, apart from bare and conventionally coated walls, the performance of a novel technology, where most of the washcoat is placed on top of the wall, is examined under both steady state and highly transient driving cycle conditions. Comparing this technology with conventional GPFs of same geometry and cell-structure, its high filtration and exceptional pressure drop performance is being showcased.Moreover, the effect of ash accumulation and the respective deposition patterns (wall, layer and plug ash) on the performance of a particulate filter is examined under steady state and transient conditions, using both experimental and computational data. The physical mechanisms that take place, along with the mathematical models developed to predict ash accumulation, agglomeration and migration, are presented. The models are then tuned based on pressure drop, filtration efficiency and plug ash length experimental data. Finally, two computational investigations are performed, in order to examine the effect of ash distribution on a cGPF’s TWC reactivity and on the Soot Mass Limit (SML).Given the complexity as well as the time and cost related to such experimental studies, the paramount importance of developing and using predictive mathematical models is highlighted. This work’s computational results were assisted by the mathematical models of axisuite® and exothermia-suite® commercial platforms.

Η τεχνολογία του σωματιδιακού φίλτρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί με σκοπό τη μείωση των σωματιδιακών εκπομπών σε βενζινοκινητήρες. Η εμπειρία η οποία αποκτήθηκε από την επί δεκαετίες μελέτη και χρήση σωματιδιακών φίλτρων για πετρελαιοκινητήρες (DPFs), απέδειξε ότι η μαθηματική μοντελοποίηση των μηχανισμών φιλτραρίσματος, μεταφοράς και αντιδράσεων, μπορεί να διευκολύνει την εις βάθος κατανόηση και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και ελέγχου ενός συστήματος αντιρρύπανσης.Παρά το γεγονός ότι το σωματιδιακό φίλτρο για βενζινοκινητήρες (GPF), το οποίο ξεκίνησε να χρησιμοποιείται τα τελευταία χρόνια, βασίζεται στις ίδιες βασικές αρχές φιλτραρίσματος και αντιδράσεων, υπόκειται σε πολύ διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας από ότι ένα DPF. Λόγω των πολύ χαμηλότερων σωματιδιακών εκπομπών ενός κινητήρα βενζίνης σε σύγκριση με έναν πετρελαιοκινητήρα, οι μηχανισμοί διήθησης βαθιάς κλίνης μέσα στο τοίχωμα, αποκτούν εξαιρετική σημασία. Οι συνθήκες αναγέννησης του GPF είναι επίσης εγγενώς διαφορετικές και ικανοποιούνται κατά βάση μόνο όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι αρκούντως υψηλή, κατά τη διάρκεια των περιοχών διακοπής της παροχής καυσίμου, όπου υπάρχει υψηλή διαθεσιμότητα Ο2. Επιπρόσθετα, η καταλυτική επίστρωση στην περίπτωση ενός καταλυτικού GPF (cGPF), μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση φιλτραρίσματος, την πτώση πίεσης και τη διαδικασία αναγέννησής του. Ως αποτέλεσμα, υπήρχε η ανάγκη μελέτης όλων των πτυχών της λειτουργίας του (c)GPF, σχεδόν από την αρχή. Σε αυτήν την εργασία παρουσιάζεται μια συστηματική πειραματική και υπολογιστική μεθοδολογία μοντελοποίησης, με στόχο την εις βάθος κατανόηση, την ποσοτικοποίηση και την εξήγηση των υποκείμενων μηχανισμών οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε ένα cGPF, καθώς και των αλληλεπιδράσεων των λειτουργιών GPF και TWC.Αρχικά παρουσιάζονται οι αέριες και στερεές εκπομπές ενός κινητήρα βενζίνης, τα σχετικά νομοθετημένα όρια, καθώς και οι θεμελιώδεις αρχές οι οποίες διέπουν τη λειτουργία των καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι μηχανισμοί φιλτραρίσματος και πτώσης πίεσης οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε ένα GPF σε αφόρτιστη και σωματιδιακά φορτισμένη κατάσταση, καθώς και οι μαθηματικές εξισώσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίησή του. Έμφαση δίνεται στην κατανομή της ροής κατά μήκος των καναλιών εισόδου, εξόδου, καθώς και διαμέσου του τοιχώματος ενός αφόρτιστου ή σωματιδιακά φορτισμένου φίλτρου.Στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση της θερμοκρασίας, της παροχής μάζας, της πυκνότητας των σωματιδίων, της δομής των καναλιών, της μικρο-δομής του τοιχώματος, της καταλυτικής επίστρωσης και της σωματιδιακής φόρτισης στην απόδοση φιλτραρίσματος και στην πτώση πίεσης, βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων δεκατριών διαφορετικών καταλυτικών και μη GPFs. Η επίπτωση μιας μη ομοιόμορφης αξονικής κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην αξονική κατανομή της ροής και συνεπακόλουθα στην αξονική κατανομή της αιθάλης, εξετάζεται υπολογιστικά και επαληθεύεται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων της αξονικής σωματιδιακής συσσώρευσης. Έχοντας ρυθμίσει τις παραμέτρους διήθησης και διαπερατότητας ενός σημαντικού αριθμού υποστρωμάτων, προέκυψαν συσχετίσεις μεταξύ αυτών των παραμέτρων και της τοπικής ποσότητας καταλυτικής επίστρωσης του τοιχώματος. Τέτοιες συσχετίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προγνωστικά εργαλεία, με σκοπό τη μείωση του σχετικού χρόνου και κόστους σχεδιασμού και ανάπτυξης συστημάτων αντιρρύπανσης.Στην περίπτωση καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων, οι μηχανισμοί των αντιδράσεων στο τοίχωμα επηρεάζονται από τους μηχανισμούς διάχυσης. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, παρουσιάζεται η καταλυτική δραστικότητα και οι περιορισμοί εσωτερικής διάχυσης δύο cGPFs και διερευνώνται οι αλληλεπιδράσεις οι οποίες πηγάζουν από την ενσωμάτωση των λειτουργιών TWC και GPF σε μοναδικό μονόλιθο. Αρχικά καταγράφονται οι καταλυτικές αντιδράσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα και ακολουθούν τα στοχευμένα πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό, τη ρύθμιση και την πιστοποίηση των σχετικών μηχανισμών. Η επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην αξονική διεύθυνση και της σωματιδιακής συσσώρευσης στη μετατροπή των αερίων ρύπων, αξιολογείται μέσα από δύο υπολογιστικές διερευνήσεις.Όσον αφορά στην αναγέννηση του GPF, αναγνωρίζονται και συζητούνται όλοι οι πιθανοί (με O2, NO2, H2O και CO2) μηχανισμοί οξείδωσης της αιθάλης. Στη συνέχεια μελετάται η επίδραση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης Ο2 στην οξείδωση της αιθάλης, καθώς και η σχετική διαδικασία παραμετροποίησης. Υπογραμμίζεται επίσης η καταλυτική επίδραση των μη ανθρακούχων συστατικών τέφρας στην οξείδωση της αιθάλης, καθώς και η αυξημένη σημασία αυτής για εφαρμογές βενζίνης έναντι εφαρμογών πετρελαίου.Τελικά, τα μοντέλα οξείδωσης αιθάλης, φιλτραρίσματος σωματιδίων, πτώσης πίεσης, αντιδράσεων TWC και διάχυσης αερίων στοιχείων πιστοποιούνται υπό τις έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες κύκλων οδήγησης, στους οποίους λαμβάνει ταυτόχρονα χώρα σωματιδιακή φόρτιση και οξείδωση αιθάλης. Χρησιμοποιώντας πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα, αναλύεται η επίδραση που έχει η τοποθέτηση του φίλτρου στην εξάτμιση (υποδαπέδια (Under-Floor, UF) ή κοντά στον κινητήρα (Close-Coupled, CC)) στην ικανότητα αναγέννησης και στην απόδοση φιλτραρίσματός του. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται υπολογιστική διερεύνηση αναφορικά με το ενδεχόμενο πιο αργής αναγέννησης ενός καταλυτικού έναντι ενός μη καταλυτικού GPF όμοιων χαρακτηριστικών, εξαιτίας του μηχανισμού της εμπρόσθιας διάχυσης O2 από το σχηματισμένο στρώμα αιθάλης προς το καταλυτικό τοίχωμα.Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, πέρα από μη καταλυτικά και συμβατικά επικαλυμμένα τοιχώματα, μελετάται και η απόδοση μιας καινοτόμου τεχνολογίας, στην οποία το μεγαλύτερο τμήμα της καταλυτικής επίστρωσης είναι τοποθετημένο πάνω στην επιφάνεια του τοιχώματος. Συγκρίνοντας αυτήν την τεχνολογία με συμβατικά GPFs ίδιας γεωμετρίας και δομής καναλιών υπό σταθερές αλλά και έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες, καθίσταται εμφανής η υψηλή απόδοση φιλτραρίσματος και η ταυτόχρονα πολύ χαμηλή πτώση πίεσής της.Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση της συσσώρευσης τέφρας και των σχετικών τρόπων εναπόθεσής της (τέφρα τοιχώματος, στρώματος και βύσματος) στην απόδοση ενός σωματιδιακού φίλτρου, αξιοποιώντας τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά αποτελέσματα. Αρχικά παρουσιάζονται οι φυσικοί μηχανισμοί οι οποίοι λαμβάνουν χώρα, μαζί με τα μαθηματικά μοντέλα τα οποία αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη της συσσώρευσης, συσσωμάτωσης και μεταφοράς τέφρας. Έπειτα, τα μοντέλα ρυθμίζονται βάσει πειραματικών δεδομένων πτώσης πίεσης, φιλτραρίσματος και μήκους τέφρας βύσματος. Τέλος, διενεργούνται δύο υπολογιστικές διερευνήσεις, προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση της κατανομής της τέφρας ως προς την ικανότητα μετατροπής των αερίων ρύπων και ως προς τη μέγιστη αποδεκτή φόρτιση του τοιχώματος με αιθάλη (Soot Mass Limit, SML).Δεδομένης της πολυπλοκότητας και του απαιτούμενου χρόνου και κόστους για την πραγματοποίηση πειραματικών μελετών, υπογραμμίζεται η μεγάλη σημασία της ανάπτυξης και χρήσης σχετικών μαθηματικών μοντέλων. Στην προκειμένη περίπτωση, όλα τα αποτελέσματα της εργασίας υποστηρίχθηκαν από τα μαθηματικά μοντέλα των εμπορικών λογισμικών axisuite® και exothermia-suite®.