Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της λειτουργίας παγίδων οξειδίων του αζώτου για κινητήρες φτωχής καύσης

Abstract

NOx traps are the newest control technology developed for gasoline lean burn engines and diesel engines. The concept of NOx traps includes storage of NOx during lean engine operation and release and reduction of NOx (regeneration) during rich operation. The operation of NOx trap is theoretically and experimentally investigated. The basic computational tool used in this study is an existed mathematical model developed at Aristotle University which simulates the behavior of catalytic converters. A mathematical model which simulates the behavior of the trap is a necessary tool in order to investigate the complicated phenomena taking place in it and to proceed in optimization studies for this kind of after treatment systems. O2 storage and release phenomena strongly affect NOx trap operation under the dynamic conditions encountered in real-world applications. The role of cerium embedded in the washcoat is important not only for the storage but also for the regeneration and desulphurization phases. Through dedicated experiments with synthetic gas, the mechanism of NO dissociation with N2O and N2 formation at low temperatures was revealed. The above mechanism has more to do with “conversion” rather than “storage” of NO, something which hadn’t been recognized in the literature so far. In the presented model an extra storage mechanism has been added which takes into account the direct storage of NO in the form of nitrite ((Ba(NO2)2).The fact that the regeneration takes place in a few seconds makes necessary the use of Ultra-Fast NOx Analyzers (~8 ms) in order to understand these phenomena and develop accurate reaction models. Experiments conducted in LAT, showed the superiority of H2 among the reductants for a complete regeneration at low temperatures and were used in the adjustment of reaction kinetics for this phase. The future of NOx trap technology depends on the solution against the problem of trap poisoning by sulfur contained in the fuels used. The model takes into account the sulfation -desulfation reactions and is validated in a series of experiments. The role of cerium is important because it promotes the desulphurization and reduces the formation of undesirable products (H2S). A parametric investigation is conducted in order to find the best desulphurization strategy in terms of temperature and air/fuel ratio. The basic conclusion is that successful desulphurization requires high temperature and low air/fuel ratio.

Οι παγίδες ΝΟx αποτελούν την νεότερη τεχνολογία ελέγχου που έχει αναπτυχθεί για βενζινοκινητήρες φτωχής καύσης και για κινητήρες diesel. Η αρχή λειτουργίας τους περιλαμβάνει αποθήκευση NOx στη διάρκεια της φτωχής λειτουργίας του κινητήρα και έκλυση-αναγωγή τους (αναγέννηση) στη διάρκεια της πλούσιας λειτουργίας. Η λειτουργία της παγίδας NOx εξετάζεται θεωρητικά και πειραματικά, ενώ ως βασικό υπολογιστικό εργαλείο χρησιμοποιείται το προϋπάρχον μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο ΕΕΘ και προσομοιώνει τη συμπεριφορά καταλυτικών μετατροπέων. Η μοντελοποίηση της παγίδας NOx συνιστά πρόκληση λόγω του ότι μέχρι σήμερα δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως οι μηχανισμοί των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στη διάρκεια της αποθήκευσης και αναγέννησης. Τα οξείδια του δημητρίου που περιλαμβάνονται στην καταλυτική επίστρωση της παγίδας παίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στις φάσεις αποθήκευσης της παγίδας, όσο και στις φάσεις αναγέννησης και αποθείωσης. Μέσω πειραμάτων με συνθετικό καυσαέριο έγινε κατανοητός ο μηχανισμός διάσπασης του ΝΟ από το Ce2O3 σε χαμηλές θερμοκρασίες προς παραγωγή Ν2Ο και Ν2. Ο μηχανισμός αυτός στην ουσία συνιστά «μετατροπή» και όχι «αποθήκευση» του ΝΟ, κάτι που δεν είχε αναγνωριστεί μέχρι τώρα στη βιβλιογραφία. Στο υπάρχον μοντέλο προστέθηκε ένας επιπλέον μηχανισμός αποθήκευσης που περιλαμβάνει απευθείας αποθήκευση του ΝΟ από το BaO στη μορφή Βa(NO2)2. Η φάση της αναγέννησης διαρκεί πολύ λίγα δευτερόλεπτα, γεγονός που καθιστά αναγκαία τη χρήση αναλυτών NOx ταχείας απόκρισης (~8 ms) προκειμένου να μελετηθεί το φαινόμενο και στη συνέχεια να μπορέσει να μοντελοποιηθεί. Μέσω πειραμάτων διαπιστώνεται η ανωτερότητα του αναγωγικού Η2 για αποτελεσματική αναγέννηση σε χαμηλές θερμοκρασίες σε σχέση με το αναγωγικό CO. Η ευρεία διάδοση της τεχνολογίας των παγίδων οξειδίων του αζώτου εξαρτάται από την επιτυχή αντιμετώπιση του προβλήματος δηλητηρίασης των παγίδων από το θείο των χρησιμοποιούμενων καυσίμων. Το μοντέλο θείωσης-αποθείωσης της παγίδας επαληθεύεται πειραματικά. Ο ρόλος του δημητρίου είναι κρίσιμος στη φάση της αποθείωσης όχι μόνο γιατί καθιστά πιο εύκολη την αποθείωση αλλά και λόγω των πιο επιθυμητών προϊόντων που συνοδεύουν τη χρήση του. Μέσω παραμετρικής διερεύνησης αναζητείται η βέλτιστη στρατηγική αποθείωσης της παγίδας NOx όσον αφορά τη θερμοκρασία αποθείωσης και το λόγο αέρα καυσίμου. Το βασικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η αποθείωση είναι αποτελεσματική όταν η θερμοκρασία είναι υψηλή και συνοδεύεται από χαμηλό λόγο αέρα καυσίμου.