Operation of diesel particulate filters with simultaneous selective catalytic reduction of NOx

Abstract

The combination of SCR and DPF devices in one system (so-called SCRF®) enables a very compact design and has already found its way into commercial application for passenger cars. In the case of heavy-duty and non-road applications, the design and control of the SCRF® heavily depend on the interactions between SCR and DPF functionalities taking place in the device. Indicative examples are the competitive NO₂ consumption by the SCR and soot reactions, or the trade-off that needs to be made when choosing the optimal washcoat amount to balance between de-NOx performance, filtration efficiency, and pressure drop behavior. In addition, another aspect of the competitive interactions is the alteration of the mass-transfer characteristics by the soot and/or ash presence, which may impact NOx conversion. Based on the above, the SCRF® efficiency is not a simple superimposition of the individual SCR and DPF efficiencies. The interactions between the two functionalities are a crucial aspect that needs to be understood in order to enable proper component design and optimal system performance. In the frame of the present thesis, the above phenomena will be analytically studied, discussed, and explained by means of multi-scale experimental testing and mathematical modeling. Initially, in Chapter 1, an introduction will be given in order to introduce the reader to the fundamentals and operating principles of the individual SCR and DPF technologies. The current and future emissions legislation background will be set, and the cost- and performance-driven motivation behind the SCRF® development will be explained. The major SCRF® performance aspects will be analytically discussed, and a literature review of the current SCRF® experimental and modeling studies will also be summarized. The mathematical model which is employed to assist this work is the Axisuite® commercial software. The main model equations for the mass-momentum, energy, and species balance will be listed in Chapter 2. Additionally, the governing reactions and respective rate expressions for the SCR and soot chemistries will be presented. Chapter 3 is dedicated to the experimental work, which is essential in order to support the modeling activity. Since SCRF® combines SCR and DPF functionalities, experimental work aiming for model calibration can be divided into three major aspects: (a) pressure drop and filtration efficiency, (b) SCR reactivity, and (c) soot reactivity. Pressure drop, filtration efficiency, and soot reactivity are evaluated on the basis of engine tests only. On the other hand, SCR reactivity involves a stage-wise scale-up evaluation from micro-reactor tests with powdered catalyst up to engine tests with full-scale monolithic converters. Experiments used for model validation include steady-state engine tests at random conditions and driving cycles. Model calibration and validation results will be analytically presented in Chapter 4. Additionally, dedicated experimental tests have been conducted in order to study the competition between SCR and soot chemistries, as well as the impact of ash on the SCRF® performance. A summary of these experimental trends, evaluation of the model's ability to predict them, and in-depth analysis of the underlying mechanisms and governing phenomena will be presented in Chapter 5. Finally, a model-based analysis and performance optimization among different SCRF® coating configurations will be presented in the last chapter, Chapter 6. The target of this modeling activity is to examine the impact of catalyst zoning and layering in an attempt to balance the detrimental cross-interaction effects and propose solutions for optimal SCRF® performance.

Ο συνδυασμός των συστημάτων SCR και DPF σε μία ενιαία διάταξη (το λεγόμενο SCRF®) επιτρέπει έναν ιδιαίτερα συμπαγή σχεδιασμό και έχει ήδη βρει εμπορική εφαρμογή στα επιβατικά οχήματα. Στην περίπτωση βαρέων οχημάτων και εκτός δρόμου εφαρμογών, ο σχεδιασμός και ο έλεγχος του SCRF® εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των λειτουργιών SCR και DPF που λαμβάνουν χώρα μέσα στη συσκευή. Ενδεικτικά παραδείγματα είναι η ανταγωνιστική κατανάλωση NO₂ από το σύστημα SCR και οι αντιδράσεις αιθάλης, ή οι συμβιβασμοί που πρέπει να γίνουν κατά την επιλογή της βέλτιστης ποσότητας επικάλυψης (washcoat), ώστε να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ της απόδοσης αναγωγής των οξειδίων του αζώτου (de-NOx), της αποδοτικότητας φιλτραρίσματος και της συμπεριφοράς πτώσης πίεσης. Επιπλέον, μία άλλη πτυχή των ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων είναι η τροποποίηση των χαρακτηριστικών μεταφοράς μάζας λόγω της παρουσίας αιθάλης ή/και τέφρας, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τη μετατροπή των NOx. Με βάση τα παραπάνω, η απόδοση του SCRF® δεν αποτελεί απλό άθροισμα των αποδόσεων των μεμονωμένων SCR και DPF. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο λειτουργιών είναι κρίσιμες και πρέπει να κατανοηθούν για να καταστεί εφικτός ο σωστός σχεδιασμός εξαρτημάτων και η βέλτιστη απόδοση του συστήματος. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, τα παραπάνω φαινόμενα θα μελετηθούν, θα συζητηθούν και θα εξηγηθούν αναλυτικά μέσω πειραματικών δοκιμών πολλαπλών κλιμάκων και μαθηματικής μοντελοποίησης. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 1, παρουσιάζεται μια εισαγωγή ώστε να εξοικειωθεί ο αναγνώστης με τις βασικές αρχές λειτουργίας των επιμέρους τεχνολογιών SCR και DPF. Αναλύεται το ισχύον και μελλοντικό νομοθετικό πλαίσιο για τις εκπομπές και εξηγείται το κίνητρο πίσω από την ανάπτυξη του SCRF®, βασισμένο σε κόστη και απόδοση. Οι κύριες πτυχές της απόδοσης του SCRF® συζητούνται αναλυτικά, ενώ συνοψίζεται και η σχετική βιβλιογραφία σε πειραματικές και υπολογιστικές μελέτες για το SCRF®. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τη στήριξη της εργασίας είναι το εμπορικό λογισμικό Axisuite®. Οι κύριες εξισώσεις του μοντέλου για τη διατήρηση της μάζας, της ορμής, της ενέργειας και των χημικών ειδών παρατίθενται στο Κεφάλαιο 2. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές αντιδράσεις και οι αντίστοιχες κινητικές εξισώσεις για τις χημείες SCR και αιθάλης. Το Κεφάλαιο 3 είναι αφιερωμένο στο πειραματικό έργο, το οποίο είναι απαραίτητο για την υποστήριξη της μοντελοποίησης. Δεδομένου ότι το SCRF® συνδυάζει τις λειτουργίες SCR και DPF, το πειραματικό έργο που στοχεύει στη βαθμονόμηση του μοντέλου μπορεί να χωριστεί σε τρεις βασικούς τομείς: (α) πτώση πίεσης και αποδοτικότητα φιλτραρίσματος, (β) δραστικότητα SCR και (γ) δραστικότητα αιθάλης. Η πτώση πίεσης, η αποδοτικότητα φιλτραρίσματος και η δραστικότητα αιθάλης αξιολογούνται αποκλειστικά μέσω δοκιμών κινητήρα. Αντίθετα, η δραστικότητα SCR αξιολογείται με διαδοχικά πειράματα σε διαφορετικές κλίμακες, ξεκινώντας από μικροαντιδραστήρες με καταλύτη σε σκόνη έως δοκιμές κινητήρα με πλήρους κλίμακας μονολιθικούς μετατροπείς. Τα πειράματα που χρησιμοποιούνται για την επικύρωση του μοντέλου περιλαμβάνουν δοκιμές κινητήρα σε σταθερές συνθήκες και κύκλους οδήγησης. Τα αποτελέσματα βαθμονόμησης και επικύρωσης του μοντέλου παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 4. Επιπρόσθετα, έχουν πραγματοποιηθεί ειδικές πειραματικές δοκιμές για τη μελέτη του ανταγωνισμού μεταξύ των χημειών SCR και αιθάλης, καθώς και της επίδρασης της τέφρας στην απόδοση του SCRF®. Μια σύνοψη των πειραματικών αυτών τάσεων, αξιολόγηση της ικανότητας του μοντέλου να τις προβλέψει, καθώς και εις βάθος ανάλυση των υποκείμενων μηχανισμών και φαινομένων παρατίθενται στο Κεφάλαιο 5. Τέλος, μια ανάλυση βασισμένη στο μοντέλο και βελτιστοποίηση της απόδοσης για διαφορετικές διαμορφώσεις επικάλυψης SCRF® παρουσιάζεται στο τελευταίο κεφάλαιο, το Κεφάλαιο 6. Σκοπός της μοντελοποίησης είναι να εξεταστεί η επίδραση της χωρικής κατανομής και της στρωμάτωσης του καταλύτη, προκειμένου να εξισορροπηθούν οι αρνητικές επιπτώσεις των διαλειτουργικών αλληλεπιδράσεων και να προταθούν λύσεις για βέλτιστη απόδοση του SCRF®.