Διερεύνηση εφαρμογής μεταλλικών αφρών σε διατάξεις μετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων diesel

Abstract

The present thesis studies the possibility of using metal foam in diesel exhaust aftertreatment systems. The introductory section describes the properties of the metal foam and makes a comparison with the ceramic materials used as substrates of aftertreatment devices. In order to introduce the non-familiar reader, the first chapter includes a short description of the Diesel Oxidation Catalyst (DOC) and the Diesel Particulate Filter (DPF). The second section studies the use of metal foam as a substrate for DOC applications. For this purpose, a customized small scale experimental setup was used for fundamental investigations. The effect of exhaust flow rate on catalytic activity and the capacity of hydrocarbon adsorption was thoroughly investigated. Experimental research went on to clarify the effects of coating characteristics (Pt and washcoat loading, pore size, coating method) on conversion efficiency. The experience from fundamental investigations was used to develop a number of prototype foam catalysts. The prototypes were experimentally evaluated on an engine bench to define the effect of exhaust flow rate on catalytic activity and a direct comparison was done with a cordierite flow through DOC. Various catalytic coatings were evaluated to select the most suitable for DOC applications. Finally, the prototypes and the ceramic DOC are evaluated on a diesel vehicle over legislated driving cycles. The next section studies the use of metal foam as a substrate for DPF applications. Fundamental investigations were carried out regarding the filtration efficiency, pressure drop, soot loading distribution, soot compression and blow off. Based on that experience, a number of prototype foam filters were developed. All prototypes were tested according to the same evaluation procedure for comparison reasons. The target of the evaluation was to characterize the filters in terms of filtration efficiency, pressure drop, soot compression and maximum soot loading for safe regeneration. A first attempt was done to find an inverse calculation of soot loading given the exhaust flow rate, temperature and the pressure drop of the filter. In order to reduce NO2 slip, a new filter design was implemented and tested. All prototypes were tested to evaluate their catalytic efficiency. The same evaluation procedure was carried out with two SiC wall flow filters for comparison. Finally, the foam and ceramic filters were installed on a modern diesel vehicle and were tested over legislated driving cycles. Selected prototypes were tested on real road driving conditions. The last chapter of the thesis focuses on the evaluation of a complete foam aftertreatment system which consisted of a close coupled precatalyst and an underfloor particulate filter. This system replaced the original one (which had precatalyst and a main catalyst) on a Euro 4 diesel vehicle without any engine modifications. The target was to investigate the ability of the foam system to reduce the gaseous and soot emissions below the Euro 4 and Euro 5 limits. Emission measurements were carried out over NEDC driving cycles according to the legislated method, but also complementary instantaneous measurements were done regarding both gaseous and particle mass and number emissions. The main points of attention are the CO and hydrocarbon reduction efficiency, the effect of the new system on NO2/NOx ratio and total NOx emissions, precatalyst and filter ΔP and fuel consumption. The most important aspect of the evaluation measurements was the soot mass and number emissions due to the very low limit that will be set by the Euro 5 standards. After the end of evaluation over the driving cycles, the foam system was tested under real road driving conditions in comparison with a SiC wall flow filter.

Η παρούσα εργασία μελετά τη δυνατότητα εφαρμογής του μεταλλικού αφρού σε συστήματα μετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων diesel. Το πρώτο τμήμα της διατριβής περιγράφει τις ιδιότητες του μεταλλικού αφρού, και κάνει μια σύγκριση με τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αντίστοιχες εφαρμογές. Επιχειρείται μια εισαγωγή στις έννοιες του οξειδωτικού καταλύτη και του φίλτρου αιθάλης που είναι και τα βασικά στοιχεία ενός σύγχρονου συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίου. Γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση της αρχής λειτουργίας τους και των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται έτσι ώστε ο μη εξοικειωμένος με το αντικείμενο αναγνώστης να μπορέσει να εισαχθεί στο πνεύμα του κειμένου. Το πρώτο βασικό τμήμα της εργασίας διερευνά την χρήση του αφρού ως υποστρώματος οξειδωτικού καταλύτη. Για αυτό το σκοπό, χρησιμοποιείται μια πρωτότυπη διάταξη μικρής κλίμακας για τη διεξαγωγή βασικών διερευνήσεων. Αρχικά μελετάται η επίδραση της παροχής καυσαερίου στην καταλυτική απόδοση και η ικανότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων. Ακόμα εξετάζεται η επίδραση των χαρακτηριστικών της επίστρωσης (συγκέντρωση πολύτιμων μετάλλων και επίστρωσης, μέθοδος επίστρωσης) στην οξειδωτική δράση. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι πρωτότυποι οξειδωτικοί καταλύτες από αφρό οι οποίοι αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Η πειραματική αξιολόγηση των πρωτοτύπων έγινε σε κινητήρα και πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της παροχής καυσαερίου και η καταλυτική απόδοση διαφόρων επιστρώσεων. Ακολουθεί η αξιολόγηση πρωτοτύπων καταλυτών σε όχημα με μέτρηση εκπομπών ρύπων σε κύκλους οδήγησης. Για λόγους σύγκρισης η ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε και με κεραμικό καταλύτη διαμπερούς ροής. Το έτερο πολύ βασικό κομμάτι της διατριβής είναι η μελέτη της εφαρμογής του αφρού ως υποστρώματος φίλτρου αιθάλης. Και εδώ πραγματοποιούνται βασικές διερευνήσεις στη διάταξη μικρής κλίμακας και σε προσαρμοσμένη διάταξη στον κινητήρα. Κυριότερα αντικείμενα μελέτης αποτελούν ο βαθμός απόδοσης διήθησης, η πτώση πίεσης, η κατανομή της σωματιδιακής φόρτισης, η συμπίεση και η διαφυγή της αιθάλης. Οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από τις βασικές διερευνήσεις αξιοποιούνται στην ανάπτυξη πρωτότυπων φίλτρων αιθάλης από αφρό. Τα πρωτότυπα αξιολογούνται σύμφωνα με μία τυποποιημένη πειραματική διαδικασία με κύριους στόχους τη μελέτη του βαθμού απόδοσης διήθησης, της πτώσης πίεσης, της συμπίεσης και ανακατανομής της αιθάλης, την κατανομή της σωματιδιακής φόρτισης και το μέγιστο όριο φόρτισης για ασφαλή αναγέννηση σε όλες τις συνθήκες. Ακόμα πραγματοποιείται μια πρώτη προσπάθεια υπολογισμού της φόρτισης από τις συνθήκες του καυσαερίου και την πτώση πίεσης του φίλτρου και δοκιμάζεται μια τεχνική μείωσης του διαφεύγοντος ΝΟ2. Τέλος, αξιολογείται η καταλυτική απόδοση των πρωτοτύπων και γίνεται μια σύγκριση της συνολικής απόδοσης όλων των φίλτρων από αφρό με κεραμικά φίλτρα ροής τοιχώματος. Η αξιολόγηση των φίλτρων συνεχίζεται σε όχημα diesel για νομοθετημένους κύκλους οδήγησης, αλλά και σε πραγματικές συνθήκες χρήσης. Το τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής περιγράφει την αξιολόγηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίου από μεταλλικό αφρό. Το εργοστασιακό σύστημα ενός οχήματος προδιαγραφών ρύπων Euro 4, που αποτελείται από ένα προκαταλύτη και έναν κύριο καταλύτη αντικαθίσταται από ένα σύστημα προκαλύτη και φίλτρου αιθάλης από αφρό. Στόχος είναι επίτευξη των ορίων Euro 4 και Euro 5 χωρίς καμία μετατροπή στη λειτουργία του κινητήρα του οχήματος. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιούνται σε κύκλους οδήγησης NEDC σύμφωνα με τη μέθοδο έγκρισης τύπου και με ταυτόχρονες συμπληρωματικές στιγμιαίες μετρήσεις εκπομπών αέριων ρύπων και σωματιδίων. Οι μετρήσεις επικεντρώνονται στην οξειδωτική απόδοση του συστήματος όσον αφορά το CO και τους υδρογονάνθρακες αλλά και στις επιπτώσεις στην αναλογία NO2/NOx και στις συνολικές εκπομπές NOx. Επιπλέον, αξιολογούνται οι μετρήσεις πτώσεις πίεσης και κατανάλωσης καυσίμου. Ιδιαίτερα σημαντικές είναι οι μετρήσεις των εκπομπών μάζας και αριθμού σωματιδίων λόγω των πρόσφατα θεσμοθετημένων προδιαγραφων Euro 5 οι οποίες μειώνουν σημαντικά το επιτρεπόμενο όριο εκπομπών μάζας και θέτουν όριο στις εκπομπές αριθμού σωματιδίων. Τέλος, το σύστημα αφρού αξιολογείται κατά την οδήγηση του οχήματος σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης και για λόγους σύγκρισης αντίστοιχη δοκιμή γίνεται και με κεραμικό φίλτρο αιθάλης.