Συνεισφορά των οξειδίων του αζώτου (NOx) στην αναγέννηση παγίδων αιθάλης κινητήρων diesel

Abstract

The diesel particulate filters technology has impressively advanced especially during the last years driven by the interest in the reduction of automobile particulate emissions. This work aims at studying the effect of NO2 as an active oxidation agent in the regeneration process of the soot accumulated in the particulate filter. The background of this work consists of three already existed computational tools (exhaust system heat transfer code, oxidation catalyst code and thermal regeneration particulate trap code), which are further developed to support specific design requirements. These tools are integrated in a full computational methodology, which allows a unified approach of the system "engine-exhaust system-oxidation catalyst-particulate trap".Regarding the chemistry of the soot-NO2 reaction in the particulate filter, the published chemical kinetics data are not sufficient to support mathematical modeling. For this reason, a relatively simplified reaction scheme is employed, consistent with literature results, regarding the dependency of the reaction rate on temperature. The unknown kinetic constants are assessed by an experimental database of various operation points. The agreement between experimental and simulation results in term of engineering interest (rate of soot accumulation or depletion) are quite satisfactory and indicate that such a type of model could be a promising design tool. Finally, the investigation of the sensitivity of the model results on the reaction kinetics constants (activation energy and pre-exponential factor) used for the carbon + NO2 reaction is carried out.The simulation of the complete catalyst-particulate trap system under transient driving cycle conditions, is based on the use of standard engine maps for exhaust gas temperature, flowrate and emissions as basic information, producing the engine-out emissions and turbo-out exhaust gas temperature and flow rate as a function of time during a given driving cycle. The methodology is applied on the same different technologies heavy-duty and light-duty diesel engines, which are simulated according to the European and Federal legislation. The equilibrium soot loading during consecutive driving cycles, can be a reasonable criterion to assess the performance of different system designs. Moreover, for the case of European cycle, a parametric investigation including variations of basic system parameters such as positioning and sizing of the oxidation catalyst and particulate filter is carried out. The mean backpressure induced by the system can be a more illustrative criterion for this study.The current legislation does not examine satisfactory the particulate trap applications because it focuses exclusively on gas and particulate emission determination but it does not include any check procedure in engine operation repercussions, the reliability of the system and the capability of its effective operation under real world conditions. Therefore, this work can be adopted as a basis for the extension of the current legislation in order to include the particulate filter applications.

Η ανακάλυψη της συνεισφοράς του διοξειδίου του αζώτου στην αναγέννηση της παγίδας αιθάλης πριν μία δεκαετία περίπου έδωσε σημαντική ώθηση στην ανάπτυξη συστημάτων που θα αξιοποιούσαν τη συνεισφορά αυτή σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Στο περιβάλλον αυτό, η εργασία αυτή, επιδιώκει να φωτίσει σημαντικές πτυχές του προβλήματος με τη βοήθεια στοχευμένων πειραματικών μετρήσεων αλλά και θεωρητικών διερευνήσεων με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης. Με στόχο τη μελέτη της παραπάνω συμπεριφοράς, αναπτύσσονται / επεκτείνονται υπάρχοντα μοντέλα προσομοίωσης καταλυτικών μετατροπέων και αναγέννησης παγίδων, ενώ ο προσδιορισμός της κινητικής Arrhenius και η επαλήθευσή τους, επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη ειδικής μεθοδολογίας και την αξιοποίηση στοχευμένων πειραματικών μετρήσεων. Η συνεισφορά των ΝΟ2 στην αναγέννηση της παγίδας προσομοιώνεται με ένα σχετικά απλοποιημένο σχήμα αντιδράσεων, συμβατό με τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας, αναφορικά προς την εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία. Ως άγνωστοι παράμετροι παραμένουν οι κινητικές σταθερές που χρησιμοποιούνται για την αντίδραση ΝΟ2-αιθάλη που προσδιορίζονται από την πειραματική βάση δεδομένων διαφορετικών σημείων λειτουργίας. Τα πρώτα αποτελέσματα είναι συμβατά με τα δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα και παρέχουν καλύτερη επίγνωση των φυσικών και χημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στην παγίδα.Για την εξέταση της εφαρμοσιμότητας του συστήματος κατά τη διάρκεια νομοθετημένων κύκλων οδήγησης, παρουσιάστηκε ειδική μεθοδολογία υπολογισμού σε μεταβατικές συνθήκες, κατά την οποία εκμαιεύονται απαραίτητα στοιχεία για την προσομοίωση, όπως η χρονική μεταβολή των συγκεντρώσεων και των θερμοκρασιών του καυσαερίου, έχοντας ως δεδομένα τους αντίστοιχους χάρτες-πεδία του κινητήρα. Τα παραπάνω εφαρμόζονται σε διαφορετικής τεχνολογίας κινητήρες βαρέων οχημάτων και επιβατηγών, που προσομοιώνονται σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή και Αμερικανική νομοθεσία. Η αξιολόγηση των συστημάτων γίνεται μέσω της φόρτισης ισορροπίας κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων νομοθετημένων κύκλων που θεωρούνται ως αντιπροσωπευτικοί των πραγματικών συνθηκών λειτουργίας του κινητήρα. Τα αποτελέσματα εκτελέσεων του μοντέλου, είναι πολύ χρήσιμα για τον προσδιορισμό του βέλτιστου μεγέθους του φίλτρου (με τη βοήθεια του μοντέλου αντίθλιψης). Έτσι η διαστασιολόγηση του καταλύτη ή της παγίδας και η επιλογή της θέσης του, σύμφωνα πάντα με τους περιορισμούς που τίθενται από το σχεδιασμό των επιμέρους τμημάτων των κινητήρα, υποβοηθείται σημαντικά από ολοκληρωμένη μεθοδολογία υπολογισμού.Η υπάρχουσα νομοθεσία δεν επαρκεί προκειμένου να καλύψει ικανοποιητικά τις ανάγκες αξιολόγησης εφαρμογών παγίδων αιθάλης, διότι εστιάζεται αποκλειστικά στον προσδιορισμό των αερίων και σωματιδιακών εκπομπών αλλά δεν προβλέπει καμία διαδικασία ελέγχου των επιπτώσεων στον κινητήρα, της αξιοπιστίας του συστήματος καθώς και της δυνατότητάς του να λειτουργήσει αποτελεσματικά υπό οποιασδήποτε συνθήκες, Κατά συνέπεια η προτεινόμενη μεθοδολογία θα μπορούσε να υιοθετηθεί ως βάση για την επέκταση του ισχύοντος νομοθετικού πλαισίου, ώστε να συμπεριλάβει και τις εφαρμογές φίλτρων σωματιδίων.