ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΕ ΠΑΓΙΔΕΣ ΑΙΘΑΛΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ Χρήστος Κ. Δαρδιώτης ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΕ ΠΑΓΙΔΕΣ ΑΙΘΑΛΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ ιδακτορική ιατριβή Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 9

2

3 Χρήστος Κ. Δαρδιώτης ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΕ ΠΑΓΙΔΕΣ ΑΙΘΑΛΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ ιδακτορική διατριβή Υποβλήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Ενεργειακός Τομέας, Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: Εξεταστική επιτροπή Καθηγητής Ζ. Σαμαράς, Επ. Καθ. Γ. Κολτσάκης, Καθηγητής Α. Τομπουλίδης Επιβλέπων Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Ομότ. Καθ. Κ. Πάττας, Καθ. Ν. Μουσιόπουλος, Καθ. Ν. Κυριάκης, Επ. Καθ. Π. Αλειφέρης, Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής

4 ii Χρήστος Κ. αρδιώτης Α.Π.Θ. ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΩΝ ΣΕ ΠΑΓΙ ΕΣ ΑΙΘΑΛΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ ISBN «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/193, άρθρο, παρ. )

5 Αφιερώνεται στη μνήμη της μητέρας μου Αθανασίας, στον πατέρα μου Κωνσταντίνο, και στον αδερφό μου Νικόλαο.

6

7 iii ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η μελέτη που παρουσιάζεται στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποτελεί συνέχεια μίας σειράς Διατριβών που έχουν εκπονηθεί στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ), οι οποίες σχετίζονται με τα φίλτρα αιθάλης. Το ευρύτερο γνωστικό αντικείμενο στο οποίο εντάσσεται η εργασία αυτή, είναι η αντιρρύπανση των μηχανών εσωτερικής καύσης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επίκουρο Καθηγητή Γρηγόριο Κολτσάκη για την καθημερινή υποστήριξη και καθοδήγηση που μου παρείχε καθ όλη την εκπόνηση του διδακτορικού. Η συνεργασία μαζί του υπήρξε δημιουργική και πάντα διδακτική για μένα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Καθηγητή Ζήση Σαμαρά για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο έργο μου και για την εξασφάλιση ιδανικών συνθηκών εργασίας, καθώς και τον Καθηγητή Ανανία Τομπουλίδη για την υποστήριξη της διατριβής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω το συνάδέλφο και συνοδοιπόρο από την αρχή των σπουδών μου Νικόλαο Μαργαρίτη, τους άμεσους συνεργάτες, Δημήτριο Κατσαούνη και Δρ. Δημήτριο Τσίνογλου καθώς και τους συναδέλφους στο εργαστήριο Δρ. Παναγιώτη Πιστικόπουλο, Αργύριο Τζιλβελή και Αθανάσιο Παπαζαχαρία. Η καθημερινή επικοινωνία μαζί τους σε επιστημονικά και μη θέματα κατέστησε την εκπόνηση της διατριβής ευχάριστη. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω Δρ. Ονούφιο Χαραλάμπους από την Exothermia S.A. για την παροχή των υπολογιστικών μοντέλων προσομοίωσης. Η καθημερινή υποστήριξή του όσο αφορά στη χρήση και στη λειτουργία των μοντέλων ήταν καθοριστική στη διεξαγωγή της διατριβής. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, και όλους αυτούς που με ανέχονται γιατί το θέλουν και όχι γιατί πρέπει να το κάνουν, οι οποίοι μου συμπαραστέκονται και με στηρίζουν σε όλες τις επιλογές που έκανα κατά καιρούς στη ζωή μου.

8

9 v ΠΕΡΙΛΗΨΗ Βασικός στόχος της εργασίας είναι η μελέτη των φαινομένων μεταφοράς μάζας και ενέργειας, καθώς και των χημικών αντιδράσεων σε κεραμικά φίλτρα σωματιδίων με καταλυτική επίστρωση. Η εργασία αποτελεί συνέχεια μίας σειράς Διδακτορικών Διατριβών που έχουν εκπονηθεί στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ), οι οποίες σχετίζονται με τα φίλτρα αιθάλης, εντασσόμενες στο ευρύτερο γνωστικό αντικείμενο της αντιρρύπανσης των μηχανών εσωτερικής καύσης. Η μελέτη βασίζεται τόσο σε πειράματα, όσο και σε χρήση υπολογιστικών εργαλείων προσομοίωσης της μεταβατικής λειτουργίας του φίλτρου αιθάλης και του οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα, που έχουν εξελιχθεί από το ΕΕΘ και πρόσφατα από την εταιρία EXOTHERMIA S.A. Η εξέταση των καταλυτικών φίλτρων ξεκινά με τη μελέτη της συμπεριφοράς τους όσον αφορά στην απόδοση διήθησης και στην πτώση πίεσης κατά τη διάρκεια της φόρτισής τους με αιθάλη. Το νέο ημι-εμπειρικό μοντέλο υπολογισμού της απόδοσης διήθησης που παρουσιάζεται για πρώτη φορά, επαληθεύεται σε ποικίλες συνθήκες παροχής και εκπομπών αιθάλης, σε φίλτρα με και χωρίς καταλυτική επίστρωση, με μικρό και μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων. Το φίλτρο με μεγάλο πορώδες επιδεικνύει αρχικά μικρότερη απόδοση διήθησης και αργεί περισσότερο να φτάσει στη μέγιστη απόδοσή της, λόγω της πιο «ανοικτής» δομής του τοιχώματός του, η οποία επιτρέπει μεγαλύτερη ποσότητα αιθάλης να διεισδύσει στο τοίχωμα. Αντίστοιχα, επαληθεύεται η μετρημένη πτώση πίεσης υπό τις συνθήκες που ήδη αναφέρθηκαν, με αρχικά καθαρό φίλτρο, και με φίλτρο υπό αρχικές συνθήκες μετά από μερική αναγέννηση. Το φίλτρο με το μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων επιδεικνύει μικρότερη πτώση πίεσης όταν είναι καθαρό, αλλά όταν φορτιστεί η πτώση πίεσης του είναι μεγαλύτερη, λόγω της μεγαλύτερης ποσότητας αιθάλης που συγκρατεί στο τοίχωμά του. Η ορθή πρόβλεψη της διήθησης επηρεάζει την αντίστοιχη πρόβλεψη της ποσότητας της αιθάλης που συσσωρεύεται μέσα στο καταλυτικό τοίχωμα κατά τη διάρκεια της φόρτισης, ερμηνεύοντας τη συμπεριφορά του φίλτρου στην παθητική αναγέννηση. Αντίστοιχα, η σωστή πρόβλεψη της πτώσης πίεσης, ιδιαίτερα σε φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση όπου το καταλυτικό τοίχωμα έχει αδειάσει, επιτρέπει τη σωστή συσχέτιση της πτώσης πίεσης με τη μάζα αιθάλης στα συστήματα αυτοδιάγνωσης του οχήματος για την έναρξη της ενεργητικής αναγέννησης. Στη συνέχεια, αναλύεται η ικανότητα των καταλυτικών φίλτρων σωματιδίων όσον αφορά στην οξείδωση των αερίων ρύπων του καυσαερίου. Τα μαθηματικά μοντέλα του καταλυτικού φίλτρου και του οξειδωτικού καταλύτη επαληθεύονται με τη βοήθεια μετρήσεων σε κινητήρα diesel. Παρουσιάζονται τα σχήματα των καταλυτικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο τοίχωμα του φίλτρου και στα κανάλια του οξειδωτικού καταλύτη, και προσδιορίζονται οι παράμετροί αυτών. Τα συστήματα με τον DOC ανάντη αποδεικνύονται πιο αποδοτικά στην οξείδωση των αερίων ρύπων του καυσαερίου. Οι οξειδωτικές αντιδράσεις που συμμετέχουν στα αντίστοιχα σχήματα επηρεάζουν την εξέλιξη της αναγέννησης και φυσικά το σύνολο των αερίων ρύπων που εκπέμπεται από τους κινητήρες. Η μελέτη ολοκληρώνεται με υπολογιστική σύγκριση αντιδραστήρα διαμπερούς ροής και αντίστοιχου ροής δια μέσω του τοιχώματος, σε σταθερές και μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Η αφαίρεση του οξειδωτικού καταλύτη και η αντικατάστασή του από καταλυτικό φίλτρο για τον περιορισμό των αερίων ρύπων είναι δυνατή υπό προϋποθέσεις, εξαρτώμενες από τις συνθήκες λειτουργίας.

10 vi Η μελέτη που ακολουθεί αξιολογεί τη συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου υπό συνθήκες αναγέννησης χαμηλής θερμοκρασίας. Παρουσιάζονται συστήματα αντιρρύπανσης με και χωρίς οξειδωτικό καταλύτη ανάντη, και αξιολογούνται η μάζα της αιθάλης που αναγεννιέται και η μεταβολή της πτώσης πίεσης κατά τη διάρκεια της παθητικής αναγέννησης συναρτήσει της δομής του υποστρώματος του φίλτρου και της θερμοκρασίας του καυσαερίου. Αναγνωρίζεται ο μηχανισμός διάχυσης του ΝΟ ως ο κύριος μηχανισμός αναγέννησης σε καταλυτικές παγίδες. Η συνεισφορά του μηχανισμού διάχυσης διερευνείται με τη βοήθεια πρωτότυπων υπολογιστικών και πειραματικών διερευνήσεων, υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας και συγκέντρωσης ΝΟ x. Τέλος, παρουσιάζεται μία προσπάθεια βελτιστοποίησης της αποδοτικότητας του συστήματος οξειδωτικού καταλύτη καταλυτικού φίλτρου με κατάλληλο καταμερισμό της ποσότητας των ευγενών μετάλλων μεταξύ των υποστρωμάτων των δύο συσκευών. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται αποδεικνύεται αξιόπιστο εργαλείο βελτιστοποίησης συστημάτων αντιρρύπανσης, με όφελος στο κόστος σε σχέση με τα αντίστοιχα πειράματα που θα απαιτούνταν. Ακολουθεί η μελέτη της αναγέννησης του καταλυτικού φίλτρου υπό υψηλή θερμοκρασία με ενεργητικά μέσα. Παρουσιάζονται επαληθευμένα πειράματα εξαναγκασμένης αναγέννησης ενός συστήματος οξειδωτικού καταλύτη καταλυτικού φίλτρου, στα οποία η αύξηση της θερμοκρασίας του καυσαερίου επιτυγχάνεται με δευτερογενή έγχυση καυσίμου στη φάση της εκτόνωσης. Τέλος, παρουσιάζεται υπολογιστική μελέτη αφαίρεσης του οξειδωτικού καταλύτη από το σύστημα αντιρρύπανσης, και σύγκριση των χαρακτηριστικών της αναγέννησης του απλού πλέον καταλυτικού φίλτρου με το συνδυασμένο σύστημα οξειδωτικού καταλύτη καταλυτικού φίλτρου. Αν η φόρτιση της αιθάλης ελέγχεται σε επίπεδα κάτω από ένα προσεκτικά επιλεγμένο όριο (στα 8 g/l περίπου) μέσω του συστήματος ελέγχου της αναγέννησης, τότε τα δύο συστήματα επιδεικνύουν συγκρίσιμες αποδόσεις αναγέννησης και μέγιστες θερμοκρασίες. Η εργασία ολοκληρώνεται με την αξιολόγηση ενός καταλυτικού φίλτρου χωρισμένου σε αξονικές ζώνες διαφορετικής δραστικότητας. Μελετάται πειραματικά και υπολογιστικά καταλυτικό φίλτρο με περισσότερη ποσότητα ευγενών μετάλλων στο μπροστινό τμήμα του, το οποίο ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για τις αέριες εκπομπές των κινητήρων diesel υπό συνθήκες ψυχρής εκκίνησης. Ταυτόχρονα, προτείνεται και εφαρμόζεται πειραματική μεθοδολογία προσαρμογής των αντίστοιχων σταθερών χημικής κινητικής για κάθε ζώνη. Η αξιολόγησή του πραγματοποιείται σε όλες τις προηγούμενες συνθήκες που παρουσιάστηκαν στην εργασία αυτή, όπως στη φόρτιση, στην οξειδωτική δραστικότητα, στην παθητική και ενεργητική αναγέννηση. Όσο αφορά στην παθητική αναγέννηση, οι διαφορές μεταξύ του ομοιόμορφου φίλτρου με υψηλή φόρτιση πλατίνας και του ανομοιόμορφου είναι μικρές, δικαιολογώντας απόλυτα τη χρησιμοποίηση του τελευταίου, σε μία προσπάθεια μείωσης του κόστους του καταλυτικού φίλτρου. Η μελέτη ολοκληρώνεται με υπολογιστικά αποτελέσματα προσομοίωσης νομοθετημένου κύκλου οδήγησης με φίλτρα ποικίλων αξονικών ζωνών, και με σύγκριση ομοιόμορφού και ανομοιόμορφου αξονικά επικαλυμμένου φίλτρου σε μεταβατικές συνθήκες θέρμανσης και ψύξης. Το zcdpf με μεγαλύτερη ποσότητα ευγενών μετάλλων στο μπροστινό του μισό είναι αποδοτικότερο στην οξείδωση των αερίων ρύπων στη φάση της θέρμανσης, αλλά μειονεκτεί στην αντίστροφη ψύξη, σε σχέση με το ομοιόμορφα επικαλυμμένο.

11 vii ABSTRACT The main target of this thesis is the study of coupled transfer and reaction phenomena that take place in Catalyzed Diesel Particulate Filters. This work is the latest study of the Laboratory of Applied Thermodynamics (LAT) in the field of Diesel Particulate Filters (DPF). The study is based on measurements and simulation tools of the transient behavior of particulate filters and oxidation catalysts, which have been developed by LAT and more resent by EXOTHERMIA S.A. company. The examination of catalyzed filters begins with their filtration efficiency and pressure drop behavior during the loading conditions. The new semi-empirical mathematical model of filtration efficiency simulation is presented for first time, is validated against various flow rates and soot mass emissions, on filters with and without catalyzed coating, with small and large mean pore size. The filter with the large mean pore size exhibits lower filtration efficiency when it is clean, due to more open structure of its wall. The latter allows larger quantity of soot to penetrate into the wall. The measured pressure drop is validated on the same conditions, with initially clean filter, and with filter with initial conditions after partial regeneration. The filter with the large mean pore size exhibits lower pressure drop when it is clean, but when it is loaded, the pressure drop is larger, due to the larger soot in the wall. The correct prediction of filtration and pressure drop means to respectively correct one of accumulated soot mass in the catalyzed wall during the loading protocol, which is prerequisite for the simulation of filters passive regeneration behavior. Secondly, the catalyzed particulate filters are examined on their gaseous oxidation performance of diesel exhaust. Using measurements of a diesel engine on a bench, the mathematical models of catalyzed filter and oxidation catalyst are validated. The catalyzed reaction schemes of filter wall and oxidation catalyst channels are introduced, and their respective parameters are defined. The exhaust aftertreatment systems with DOC upstream are more effective in oxidizing the gaseous emissions of the engine. The oxidation reactions of the respective reaction schemes have great effect on the regeneration evolution, and of course the gaseous emissions of diesel engines. This study is completed with a pure computational comparison between a flow-trough reactor and a wall-flow one, examining the temperature and gaseous concentrations profiles along the monolith lengths at various operating conditions. The removal of the DOC and use of a single catalyzed filter for the gaseous emission reduction is possible, depending on the operating conditions. The study which follows examines the low-temperature passive regeneration behavior of catalyzed filters. Exhaust aftertreatment systems with and without upstream oxidation catalyst are presented, and the regenerated soot mass and the pressure drop variation are examined during the passive regeneration, as a function of the filter wall structure and exhaust gas temperature. The NO diffusion is identified as the main regeneration mechanism in catalyzed filters. The contribution of the diffusion mechanism is examined with the aid of experimental and computational investigations. At the end, an investigation of the optimization performance of the oxidation catalyst catalyzed filter system is presented, using appropriate distribution of precious metal loading between the substrates of the two devices. The study of high temperature active regeneration performance follows. Validated measurements of active regeneration of oxidation catalyst catalyzed filter system are

12 viii presented, where the high temperature is accomplished with fuel post-injection during the expansion stroke. A computational study of removal of the oxidation catalyst of the exhaust aftertreatment system is presented, and a comparison of the regeneration characteristics of the single catalyzed filter versus the combined one with both devices is presented. If the filter soot loading is controlled at levels below a carefully selected threshold, e.g. in the range of 8 g/l, via the regeneration control system, then the two systems exhibit comparable efficiencies and maximum temperatures. The study is completed with the evaluation of a zoned catalyzed filter, with axial zones of different activity. A catalyzed filter with larger precious metal loading at its front part is examined experimentally and computationally, which is at a great extend responsible for the gaseous emissions of diesel engines under cold start conditions. An experimental methodology of adjusting the respective reaction kinetics for each zone is presented. The filter is examined in all the previous conditions that have been presented at this thesis, loading, oxidation performance, passive and active regeneration. The passive regeneration performance of the zoned filter and the catalyzed uniform one with the larger precious metal loading is almost the same. The usage of the first one decreases the cost of the system. The study is completed with experimental and computational results of driving cycle performance of various zoned filters, and with the comparison of uniform and noninform axially coated filter under transient conditions of light-off and cool-down behavior. The filter with the larger precious metal loading on its first half exhibits superior oxidation performance during the light-off phase.

13 i ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος...iii Περίληψη... v Abstract...vii Περιεχόμενα... i 1 Εισαγωγή Αντικείμενο της εργασίας Στόχοι πρωτοτυπίες της εργασίας Δομή της εργασίας... 3 Βιβλιογραφικές αναφορές... 4 Τεχνολογία του καταλυτικου φίλτρου αιθάλης Εισαγωγή Καταλυτική οξείδωση της αιθάλης Μηχανισμοί αντίδρασης Τεχνολογία καταλυτικής επικάλυψης Συστήματα καταλυτών Περιορισμός των αερίων εκπομπών Συστήματα καταλυτικής αναγέννησης Παθητικά συστήματα αναγέννησης Συνδυασμένα συστήματα παθητικής ενεργητικής αναγέννησης Βιβλιογραφικές αναφορές Διήθηση σωματιδίων και πτώση πίεσης Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο Διήθηση σωματιδίων Πτώση πίεσης Πειραματική διάταξη Φίλτρα σωματιδίων που χρησιμοποιήθηκαν Πρωτόκολλο μέτρησης Απόδοση διήθησης Μετρήσεις απόδοσης διήθησης Επαλήθευση του μοντέλου διήθησης Πτώση πίεσης... 39

14 ii Μετρήσεις πτώσης πίεσης Επαλήθευση του μοντέλου πτώσης πίεσης στη φόρτιση Συμπεράσματα...5 Βιβλιογραφικές αναφορές Μετατροπή των αεριων ρυπων Εισαγωγή Μετατροπή των αερίων ρύπων στο CDPF Πειραματική διάταξη φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν Πρωτόκολλο μέτρησης Οξείδωση των CO, HC και NO μετρήσεις Επαλήθευση των μοντέλων οξείδωσης Σύγκριση DOC CDPF Σταθερές συνθήκες λειτουργίας Μεταβατικές συνθήκες θέρμανσης Συμπεράσματα...84 Βιβλιογραφικές αναφορές Αναγέννηση χαμηλής θερμοκρασίας Εισαγωγή Πειραματική διάταξη φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν Πρωτόκολλο μέτρησης Παθητική αναγέννηση Οξείδωση της αιθάλης από το ΝΟ Αποτελέσματα μετρήσεων παθητικής αναγέννησης Επαλήθευση του μοντέλου παθητικής αναγέννησης Παραμετρική διερεύνηση επίδρασης της διάχυσης Βελτιστοποίηση του συστήματος DOC+CDPF Συμπεράσματα Βιβλιογραφικές αναφορές Αναγέννηση υψηλής θερμοκρασίας Εισαγωγή Πειραματική διάταξη πρωτόκολλο μέτρησης Αναγέννηση υψηλής θερμοκρασίας απλού CDPF και DOC+CDPF Ελεγχόμενη αναγέννηση Μη ελεγχόμενη αναγέννηση Συμπεράσματα...138

15 iii Βιβλιογραφικές αναφορές Ανομοιόμορφη κατανομη καταλυτη Εισαγωγή Πειραματική διάταξη Φίλτρα σωματιδίων που χρησιμοποιήθηκαν Ρύθμιση κινητικών χαρακτηρισμός θερμοκρασίας ενεργοποίησης Παθητική αναγέννηση Εξαναγκασμένη αναγέννηση Νομοθετημένος κύκλος οδήγησης Προσομοίωση μεταβατικών συνθηκών λειτουργίας Δοκιμή θέρμανσης Δοκιμή ψύξης Συμπεράσματα Βιβλιογραφικές αναφορές Σύνοψη συμπεράσμάτων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 1 A Μαθηματικό μοντέλο φιλτρου αιθαλης Εισαγωγή... 3 Γεωμετρία καναλιού Ισοζύγιο μάζας / ορμής Μοντέλο μεμονωμένου καναλιού Μοντέλο πολλαπλών καναλιών Ισοζύγιο ενέργειας Ενθαλπία αντιδράσεων Συναγωγή θερμότητας λόγω ροής διαμέσου του τοιχώματος Συναγωγή θερμότητας λόγω αξονικής ροής στα κανάλια Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία Αγωγή θερμότητας Ισοζύγιο ενέργειας στερεάς φάσης Οριακές συνθήκες Ισοζύγιο ενέργειας καυσαερίου Σχήμα αντιδράσεων Θερμική αναγέννηση Αναγέννηση σε καταλυτικό φίλτρο Φαινόμενα προσρόφησης εκρόφησης... 3

16 iv 5.4 Σύζευξη αντιδράσεων μεταφοράς μάζας Αριθμητική επίλυση Ισοζύγιο μάζας και ιδιότητες της αιθάλης Εισαγωγή Διήθηση της αιθάλη Ισοζύγιο μάζας αιθάλης...3 Βιβλιογραφικές αναφορές...34 B Μαθηματικό μοντελο οξειδωτικου καταλυτικου μετατροπεα Εισαγωγή...37 Χαρακτηριστικά του μοντέλου Εξισώσεις του μοντέλου Χημικές αντιδράσεις Αντιδράσεις οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα Μοντελοποίηση αντιδράσεων προσρόφησης εκρόφησης...45 Βιβλιογραφικές αναφορές...48 C Πειραματική διαταξη Πειραματική διάταξη ΕΕΘ...49 Βιβλιογραφικές αναφορές...51 Πίνακας συμβολισμών Λατινικοί συμβολισμοί...53 Ελληνικοί συμβολισμοί...56 Δείκτες...57 Συντομογραφίες...58

17 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Αντικείμενο της εργασίας Το κυψελωτό φίλτρο (cellular wall-flow filter) που χρησιμοποιείται για την κατακράτηση σωματιδίων από πετρελαιοκινητήρες (αιθάλη) είναι μια συσκευή αντιρρύπανσης που σήμερα έχει ξεπεράσει το στάδιο της ανάπτυξης και μπαίνει ταχύτητα στο πεδίο της ευρείας εφαρμογής. Το στοίχημα που θα πρέπει να κερδισθεί, έτσι ώστε το φίλτρο να γίνει ένα αξιόπιστο μέσο κατακράτησης των σωματιδίων, είναι η συνεχής λειτουργία του υπό όλες τις πιθανές συνθήκες καθ όλη την προβλεπόμενη διάρκεια ζωής του. Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των φαινομένων που διέπουν τη λειτουργία του φίλτρου με καταλυτική επίστρωση, ή αλλιώς του καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων του πετρελαιοκινητήρα (CDPF Catalyzed Diesel Particulate Filter). Τα φαινόμενα μεταφοράς, διάχυσης, οι χημικές αντιδράσεις και ο τρόπος που όλα αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στα κανάλια και στο τοίχωμα του CDPF εξετάζονται λεπτομερώς, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του συστήματος, με ταυτόχρονα την ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής και λειτουργίας του. 1. Στόχοι πρωτοτυπίες της εργασίας Βασικός στόχος της παρούσας εργασίας είναι η ερμηνεία των μηχανισμών μεταφοράς, διάχυσης και των χημικών αντιδράσεων του καταλυτικού φίλτρου τόσο κατά την οξείδωση των αέριων ρύπων, όσο και κατά τη φάση της φόρτισης αναγέννησης. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει συνδυασμένη χρήση της υπολογιστικής προσομοίωσης με διεξαγωγή και μελέτη στοχευμένων πειραμάτων. Η εργασία μελετά τη συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου τόσο πειραματικά, όσο και υπολογιστικά. Οι επιμέρους στόχοι που τέθηκαν για την επίτευξη της μελέτης ταυτίζονται σε μεγάλο βαθμό με τη μεθοδολογία, η οποία παρουσιάζεται αναλυτικά παρακάτω: Μελέτη της συμπεριφοράς του καταλυτικού φίλτρου όσον αφορά στην πτώση πίεσης και στην απόδοση διήθησης υπό συνθήκες φόρτισης. Η πειραματική και υπολογιστική μελέτη αναφέρεται σε ποικίλες συνθήκες φόρτισης, σε ποικίλα καταλυτικά φίλτρα με διάφορα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά υποστρώματος και διαφορετικές φορτίσεις πλατίνας και καταλυτικής επικάλυψης. Αξιολόγηση της τεχνολογίας καταλυτικού φίλτρου όσον αφορά στη χρήση του ως οξειδωτικός καταλύτης για μείωση των αερίων ρύπων. Μετά την πειραματική επαλήθευση των αντίστοιχων μαθηματικών μοντέλων, μελετήθηκε η δυνατότητα αντικατάστασης του οξειδωτικού καταλύτη με καταλυτικό φίλτρο. Αναλύθηκαν τα φαινόμενα μεταφοράς ενέργειας και μάζας που λαμβάνουν χώρα στους δύο αντιδραστήρες σε μόνιμες και μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Μελέτη της παθητικής αναγέννησης του καταλυτικού φίλτρου υπό συνθήκες που απαντώνται στην καθημερινή λειτουργία του οχήματος. Μελετήθηκε η επίδραση του μηχανισμού διάχυσης του ΝΟ στην παθητική αναγέννηση και παρουσιάστηκε Ο όρος φίλτρο αιθάλης περιλαμβάνει και άλλους τύπους φίλτρων πέραν του φίλτρου ροής-τοιχώματος. Παρόλα αυτά, στην παρούσα εργασία αναφέρεται αποκλειστικά στον συγκεκριμένο τύπο.

18 ΕΙΣΑΓΩΓΗ εφαρμογή βελτιστοποίησης της κατανομής της πλατίνας μεταξύ οξειδωτικού καταλύτη και καταλυτικού φίλτρου. Αξιολόγηση του καταλυτικού φίλτρου σε συνθήκες εξαναγκασμένης αναγέννησης, με ή χωρίς οξειδωτικό καταλυτικό μετατροπέα ανάντη αυτού. Μελέτη καταλυτικού φίλτρου με αξονικά ανομοιόμορφη κατανομή καταλυτικής επίστρωσης. Η καινοτόμος αυτή τεχνολογία αξιολογήθηκε διεξοδικά πειραματικά και υπολογιστικά σε ποικίλες συνθήκες λειτουργίας. Η παρούσα εργασία στηρίζεται σε πειραματικές μετρήσεις και προσομοιώσεις. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν στις ακόλουθες πειραματικές διατάξεις των αντίστοιχων εργαστηρίων εταιριών: Στο Εργαστηρίο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ) [ 1 ] με φίλτρα της εταιρίας NOTOX A/S [] Στην εταιρία NGK INSULATORS LTD [3] με φίλτρα κατασκευής της Στην εταιρία DAIMLER A.G. [4] με φίλτρα της εταιρίας IBIDEN CO LTD [5] Τα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν έχουν αναπτυχθεί και εξελιχθεί στα πλαίσια ποικίλων δημοσιεύσεων και διδακτορικών διατριβών στο ΕΕΘ. Τα τελευταία χρόνια, η εταιρία EXOTHERMIA S.A. [6] είναι υπεύθυνη για την εξέλιξη και την εμπορική τους διανομή. Ενδεικτικά αναφέρονται: Η διδακτορική διατριβή του Ονούφριου Χαραλάμπους [7], η οποία εξέλιξε το υπολογιστικό μοντέλο προσομοίωσης του φίλτρου αιθάλης σε δύο και στη συνέχεια σε τρεις διαστάσεις, εισήγαγε τις καταλυτικές αντιδράσεις, τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας διαμέσου του τοιχώματος και της σωματιδιακής στρώσης, και μία επιπλέον διάσταση διακριτοποίησης διαμέσου του τοιχώματος για τη μελέτη «διαστρωματικών» κλίσεων θερμοκρασίας και συγκεντρώσεων. Η διδακτορική διατριβή του Γρηγόριου Κολτσάκη [8 ], η οποία εξέλιξε το υπολογιστικό μοντέλο προσομοίωσης του τριοδικού καταλυτικού μετατροπέα και η αντίστοιχη του Ιωάννη Κανδύλα [9], η οποία μετέτρεψε το μοντέλο αυτό σε αντίστοιχο οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα τροποποιώντας ανάλογα τους μηχανισμούς αντίδρασης και τις σχέσεις χημικής κινητικής. Η πρωτοτυπία της διδακτορικής εργασίας εντοπίζεται στα παρακάτω σημεία: Παρουσιάζεται και επαληθεύεται ένα νέο ημι-εμπειρικό μοντέλο υπολογισμού της απόδοσης διήθησης του αρχικά καθαρού και στη συνέχεια μερικώς φορτισμένου τοιχώματος του φίλτρου αιθάλης. Η ορθή πρόβλεψη της απόδοσης διήθησης επιτρέπει την αντίστοιχη πρόβλεψη της μάζας αιθάλης που συσσωρεύεται στο τοίχωμα, η οποία επηρεάζει καθοριστικά τη συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου κατά την παθητική αναγέννηση. Αναγνωρίζεται ο μηχανισμός διάχυσης του ΝΟ ως ο κύριος μηχανισμός αναγέννησης σε καταλυτικές παγίδες. Η συνεισφορά του μηχανισμού διάχυσης διερευνείται με τη βοήθεια πρωτότυπων υπολογιστικών και πειραματικών διερευνήσεων, υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας και συγκέντρωσης ΝΟ x. Προσομοιώνεται για πρώτη φορά καταλυτικό φίλτρο με δύο ζώνες καταλυτικής επίστρωσης. Ταυτόχρονα, προτείνεται και εφαρμόζεται πειραματική μεθοδολογία προσαρμογής των αντίστοιχων σταθερών χημικής κινητικής για κάθε ζώνη.

19 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Δομή της εργασίας Στην αρχή της εργασίας παρουσιάζεται μία βιβλιογραφική διερεύνηση, όσον αφορά στην τεχνολογία του καταλυτικού φίλτρου. Η διερεύνηση ξεκινά με το πρώτο σύστημα καταλυτικού φίλτρου που τοποθετήθηκε σε επιβατικό αυτοκίνητο. Συνεχίζεται με την αναφορά στους μηχανισμούς της καταλυτικής οξείδωσης της αιθάλης και στον περιορισμό των αέριων εκπομπών. Τέλος, παρουσιάζονται τα διάφορα συστήματα παθητικής και ενεργητικής αναγέννησης του καταλυτικού φίλτρου. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου όσον αφορά στην πτώση πίεσης και στην απόδοση διήθησης υπό συνθήκες φόρτισης. Παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της διήθησης των σωματιδίων αιθάλης στο τοίχωμα του φίλτρου, και της πτώσης πίεσης που επιβάλλεται στη ροή που διέρχεται μέσα από αυτό. Η πειραματική και υπολογιστική μελέτη αναφέρεται σε ποικίλες συνθήκες φόρτισης, σε ποικίλα καταλυτικά φίλτρα με διάφορα κατασκευαστικά χαρακτηρίστηκα υποστρώματος και διαφορετικές φορτίσεις πλατίνας και καταλυτικής επικάλυψης. Το κεφάλαιο 4 αναφέρεται στη λειτουργία του καταλυτικού φίλτρου ως οξειδωτικός καταλύτης, όσον αφορά στη μετατροπή των αερίων ρύπων στο καταλυτικό τοίχωμα. Μελετάται η αντικατάσταση του οξειδωτικού καταλύτη με καταλυτικό φίλτρο, αφού συγκριθούν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους σε ποικίλες σταθερές και μεταβατικές συνθήκες. Στα κεφάλαια 5 και 6 αξιολογείται η αποτελεσματικότητα του καταλυτικού φίλτρου στην αναγέννηση υπό χαμηλή και υψηλή θερμοκρασία αντίστοιχα. Γίνεται διερεύνηση των διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης, με ή χωρίς οξειδωτικό καταλύτη υπό συνθήκες παθητικής και ενεργητικής αναγέννησης. Μελετάται η επίδραση του μηχανισμού διάχυσης του ΝΟ στην παθητική αναγέννηση και παρουσιάζεται μία προσπάθεια βελτιστοποίησης της τοποθέτησης της πλατίνας μεταξύ οξειδωτικού καταλύτη και καταλυτικού φίλτρου. Στο 7 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται και εξετάζεται η αποτελεσματικότητα ενός καταλυτικού φίλτρου με αξονικά ανομοιόμορφη κατανομή καταλυτικής επίστρωσης. Η μελέτη στοχεύει στο σύνολο των θεμάτων που παρουσιάστηκαν στα προηγούμενα 3 κεφάλαια (μετατροπή αερίων ρύπων, παθητική και ενεργητική αναγέννηση). Επιπλέον, μελετάται υπολογιστικά η αποτελεσματικότητα του χωρισμένου σε ζώνες διαφορετικής δραστικότητας φίλτρου υπό κύκλους οδήγησης και υπό μεταβατικές συνθήκες θέρμανσης και ψύξης. Τέλος στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται σύνοψη των σημαντικότερων συμπερασμάτων που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Ακολουθεί το παράρτημα, όπου παρουσιάζονται λεπτομερώς τα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης της λειτουργίας του φίλτρου αιθάλης και του οξειδωτικού καταλύτη, καθώς και η πειραματική διάταξη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής, στην οποία διεξήχθησαν τα περισσότερα πειράματα της εργασίας.

20 4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Βιβλιογραφικές αναφορές Ονούφριος Α. Χαραλάμπους, 5. Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση των μηχανισμών θερμικής καταστροφής φίλτρων αιθάλης. ιδακτορική ιατριβή Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 8 Γρηγόριος Χ. Κολτσάκης, Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της μεταβατικής λειτουργίας τριοδικού καταλυτικού μετατροπέα. ιδακτορική ιατριβή Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 9 Ιωάννης Π. Κανδύλας, 3. Συνεισφορά των οξειδίων του αζώτου (NO x ) στην αναγέννηση παγίδων αιθάλης κινητήρων diesel. ιδακτορική ιατριβή Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

21 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ.1 Εισαγωγή Τα φίλτρα σωματιδίων diesel (DPF Diesel Particulate Filters) ή παγίδες αιθάλης (soot traps), είναι συσκευές που συλλέγουν τα σωματίδια των καυσαερίων με φυσικό τρόπο, εμποδίζοντας την απελευθέρωσή τους στην ατμόσφαιρα. Κάποια από τα υλικά του φίλτρου που έχουν αναπτυχθεί επιδεικνύουν εντυπωσιακή απόδοση κατακράτησης στις συνήθεις συνθήκες λειτουργίας, συχνά της τάξης του 95%. Κατά τη σταδιακή συσσώρευση της αιθάλης στο φίλτρο εναποτίθεται αιθάλη στα τοιχώματα του φίλτρου με αποτέλεσμα τη δημιουργία της σωματιδιακής στρώσης. Η σωματιδιακή στρώση αποτελεί μια επιπλέον αντίσταση στη ροή του καυσαερίου προκαλώντας αύξηση της πτώσης πίεσης του φίλτρου. Η φάση αυτή ονομάζεται φόρτιση. Η αυξημένη πτώση πίεσης στην εξαγωγή ή αλλιώς αντίθλιψη (backpressure), επηρεάζει αρνητικά τη λειτουργία του κινητήρα, μέσω της αύξησης των απωλειών άντλησης και επιδεινώνει την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων. Επομένως τα συστήματα αυτά, πρέπει να παρέχουν έναν τρόπο για την απομάκρυνση αυτών των σωματιδίων και την αποκατάσταση της λειτουργίας τους. Η απομάκρυνση των σωματιδίων μέσω της καύσης τους, φαινόμενο γνωστό ως αναγέννηση (regeneration), μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε συνεχώς κατά τη διάρκεια της φόρτισης του φίλτρου, είτε μετά από τη συσσώρευση μιας προκαθορισμένης ποσότητας αιθάλης. Σε κάθε περίπτωση, η αναγέννηση πρέπει να μην είναι αντιληπτή από τον οδηγό-χειριστή και να πραγματοποιείται χωρίς την παρέμβασή του. Η θερμοκρασία που απαιτείται για να οξειδωθεί με γρήγορο ρυθμό η αιθάλη κυμαίνεται στο εύρος των C. Σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης είναι δύσκολο να επιτευχθεί και να διατηρηθεί για όση διάρκεια χρειάζεται τόσο υψηλή θερμοκρασία στο καυσαέριο του κινητήρα diesel. Απαιτείται λειτουργία του κινητήρα υπό πλήρες φορτίο σε υψηλές στροφές περιστροφής για χρόνο που επαρκεί ώστε να αναγεννηθεί το φίλτρο. Μία άλλη λύση είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του φίλτρου με τεχνητά μέσα, τα οποία περιλαμβάνουν τη χρήση κάποιας ηλεκτρικής αντίστασης [1] ή μέτρα εντός του κυλίνδρου (in-cylinder). Τα τελευταία είναι συνήθως η ανακυκλοφορία του καυσαερίου (EGR Exhaust Gas Recirculation), ή η δευτερογενής έγχυση (Post injection) σε συστήματα έγχυσης κοινού αυλού (common rail). Τα παραπάνω συστήματα αναγέννησης στα οποία η θερμοκρασία του φίλτρου αυξάνεται με εξωτερική πρόσδοση ενέργειας ονομάζονται ενεργητικά. Για να μειωθεί λοιπόν η θερμοκρασία της οξείδωσης, στα καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων diesel (CDPF Catalyzed Diesel Particulate Filters) εφαρμόζεται ένας καταλύτης πάνω στο υπόστρωμα του φίλτρου. Ο κύριος σκοπός του καταλύτη είναι να προωθήσει τις χημικές αντιδράσεις μεταξύ των συστατικών της αέριας φάσης και της αιθάλης που συσσωρεύεται στο φίλτρο υπό θερμοκρασία καυσαερίου που συναντάται κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του κινητήρα, δηλαδή στο εύρος των 3-4 C. Τα συστήματα αναγέννησης με τη βοήθεια καταλυτικού φίλτρου ονομάζονται παθητικά. Η χρήση αποκλειστικά παθητικών συστημάτων φίλτρου είναι πρακτικά περιορισμένη σε εφαρμογές μετασκευής (retrofit applications). Στις περισσότερες εφαρμογές αρχικού

22 6 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ εξοπλισμού κατασκευαστή (OEM Original Equipment Manufacturer), τα καταλυτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται με συνδυασμό παθητικής ενεργητικής αναγέννησης. Στην περίπτωση αυτή, το φίλτρο αναγεννιέται παθητικά στα υψηλά φορτία του κινητήρα, όπου η θερμοκρασία του καυσαερίου παραμένει στους C. Υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου, η θερμοκρασία του καυσαερίου αυξάνεται ενεργητικά συνήθως πάνω από τους 5 C. Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί περιοδική ενεργητική αναγέννηση κάθε φορά που η φόρτιση αιθάλης στο φίλτρο φτάνει σε ένα μέγιστό όριο, το οποίο έχει προ επιλεχθεί από τον κατασκευαστή του συστήματος αντιρρύπανσης. Οι αυξημένες θερμοκρασίες πραγματοποιούνται με τη βοήθεια μέσων όπως η διαχείριση του κινητήρα ή η έγχυση καυσίμου στην εξαγωγή του καυσαερίου ή στη φάση της εκτόνωσης. Οι υδρογονάνθρακες (HC - hydrocarbons) που εγχύονται κατά τη δευτερογενή έγχυση οξειδώνονται σε έναν οξειδωτικό καταλυτικό μετατροπέα (DOC Diesel Oxidation Catalyst), ο οποίος βρίσκεται τοποθετημένος ανάντη του φίλτρου. Σε αυτά τα συστήματα ο ρόλος του καταλύτη είναι διπλός: Μειώνει τη θερμοκρασία ανάφλεξη της αιθάλης με την παραγωγή ΝΟ, το οποίο αντιδρά με την αιθάλη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (ήδη από τους 3-35 C), ευνοώντας έτσι την παθητική αναγέννηση του φίλτρου. Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε, οξειδώνει τους HC, παράγοντας έτσι εξωθερμία. Η εξωθερμία μεταφέρεται στο φίλτρο, το οποίο θερμαίνεται επαρκώς ώστε να αναγεννηθεί ενεργητικά. Στην Εικ..1 παρουσιάζεται μία σχηματική παράσταση ενός CDPF που χρησιμοποιεί έναν κεραμικό μονόλιθο ροής δια μέσω του τοιχώματος, φτιαγμένο είτε από κορδιερίτη (Cordierite) είτε από καρβίδιο του πυριτίου (SiC Silicon Carbide). Το φίλτρο είναι κανιστραρισμένο σε ένα μεταλλικό περίβλημα το οποίο επιτρέπει τη σύνδεση του φίλτρου με επίσης μεταλλικούς κώνους και, στη συνέχεια, με την εξαγωγή του κινητήρα. Το περίβλημα συγκρατεί το μονωτικό υλικό που τοποθετείται γύρω από το φίλτρο για την ελαχιστοποίηση των απωλειών θερμότητας προς το περιβάλλον και για τη στεγανοποίηση της ροής. Το πορώδες τοίχωμα του μονόλιθου επικαλύπτεται με τον καταλύτη. Καθώς το καυσαέριο του κινητήρα diesel διαπερνά το τοίχωμα τα σωματίδια της αιθάλης εναποτίθενται μέσα στο δίκτυο πόρων του τοιχώματος, καθώς επίσης και στην επιφάνεια των καναλιών εισαγωγής, σχηματίζοντας τη σωματιδιακή στρώση. Ο καταλύτης μέσω ενός αριθμού πιθανών μηχανισμών που σχολιάζονται στη συνέχεια, διευκολύνει την οξείδωση των σωματιδίων του καυσαερίου του κινητήρα diesel. Εικ..1: Καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων diesel (CDPF). Τα καταλυτικά κεραμικά φίλτρα αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας 198. Οι πρώτες τους εφαρμογές συμπεριλάμβαναν αυτοκίνητα diesel και αργότερα μηχανές υπόγειων ορυχείων. Τα καταλυτικά φίλτρα εισήχθησαν εμπορικά στα οχήματα Mercedes που πωλούνταν στην Καλιφόρνια το Τα μοντέλα Mercedes 3SD και 3D με

23 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 7 υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες εξοπλίστηκαν με φίλτρα διαστάσεων διαμέτρου x μήκους 5.66 x 6, τοποθετημένα μεταξύ του κινητήρα και του στροβιλοσυμπιεστή, όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Abthoff et al. []. Η Εικ.. παρουσιάζει το φίλτρο των παραπάνω οχημάτων, καθώς και το μεταλλικό κάνιστρο μέσα στο οποίο ήταν τοποθετημένο στη σύνδεσή του με το υπόλοιπο σύστημα εξαγωγής. Εικ..: CDPF για το μοντέλο Mercedes Benz 3D του 1985 []. Η χρήση των φίλτρων diesel εγκαταλείφθηκε αργότερα από τα οχήματα, εξαιτίας προβλημάτων όπως η ανεπαρκής αντοχή, η αυξημένη πτώση πίεση και το φράξιμο του φίλτρου. Καθώς τα προβλήματα αυτά λύνονται σταδιακά, τα καταλυτικά κεραμικά φίλτρα έχουν καθιερωθεί ως μια από τις πιο σημαντικές τεχνολογίες φίλτρων σωματιδίων diesel. Τα καταλυτικά κεραμικά φίλτρα είναι εμπορικά διαθέσιμα είτε ως αρχικός εξοπλισμός κατασκευαστή είτε ως προϊόντα μετασκευής. Η εξέλιξη της αγοράς των CDPF μπορεί να ταξινομηθεί ως ακολούθως: Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 199 η χρήση των καταλυτικών φίλτρων ήταν περιορισμένη σε υπόγεια ορυχεία (Βόρεια Αμερική, Αυστραλία) και σε εφαρμογές στατικών κινητήρων. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 199 τα CDPF είχαν χρησιμοποιηθεί για μετασκευή σε diesel οχήματα βαρέων χρήσεων, όπως σε αστικά λεωφορεία και δημοτικά φορτηγά, κυρίως στις Η.Π.Α. και στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Μετά από την επανεμφάνισή τους σε εφαρμογές ελαφρών χρήσεων το 3, τα CDPF χρησιμοποιούνται με αυξανόμενο ρυθμό στα επιβατικά οχήματα diesel στην Ευρώπη (σε ανταγωνισμό με τα φίλτρα στα οποία η αναγέννηση πραγματοποιείται με πρόσθετο στο καύσιμο). Ευρείας κλίμακας εφαρμογή των CDPF αναμένεται από το 9 στους κινητήρες προδιαγραφών Euro 5, όπου το όριο των 5 mg αιθάλης ανά km καθιστά υποχρεωτική τη χρήση φίλτρου.. Καταλυτική οξείδωση της αιθάλης..1 Μηχανισμοί αντίδρασης Οι μηχανισμοί της καταλυτικής οξείδωσης της αιθάλης είναι πολύπλοκοι και όχι πλήρως κατανοητοί. Η καταλυτική οξείδωση συμβαίνει παράλληλα με ένα πλήθος αντιδράσεων, οι οποίες μπορούν να προωθηθούν από καταλύτες διαφορετικού τύπου. Οι μηχανισμοί που παίζουν σημαντικό ρόλο στην αναγέννηση των καταλυτικών φίλτρων μπορούν να ταξινομηθούν ως ακολούθως:

24 8 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Καταλυτική οξείδωση από το οξυγόνο Τα σωματίδια του άνθρακα οξειδώνονται από προσροφημένο Ο στις καταλυτικές θέσεις. Αυτός ο μηχανισμός περιορίζεται σε σωματίδια που εφάπτονται φυσικά με τις καταλυτικές θέσεις (δηλ. απευθείας εναποθετημένα στο καταλυτικό τοίχωμα). Οξείδωση από το διοξείδιο του αζώτου, (ΝΟ Nitrogen Dioxide), το οποίο μπορεί να παραχθεί από την καταλυτική οξείδωση του μονοξειδίου του αζώτου, (ΝΟ Nitrogen Monoxide), στο καταλυτικό τοίχωμα. Το ΝΟ που παράγεται είναι πιο αποτελεσματικό στην οξείδωση της αιθάλης από το οξυγόνο. Επιπλέον, το ΝΟ που παράγεται σε έναν οξειδωτικό καταλύτη τοποθετημένο ανάντη του φίλτρου, μπορεί να υποβοηθήσει την αναγέννηση. Θερμική οξείδωση από το οξυγόνο Η καταλυτική οξείδωση των υδρογονανθράκων, του μονοξειδίου του άνθρακα (CO Carbon Monoxide) και των άλλων αερίων, καθώς επίσης τα σωματίδια του άνθρακα από μόνα τους, μπορούν να δημιουργήσουν τοπικές ζώνες αυξημένης θερμοκρασίας εξαιτίας της εξωθερμίας των αντίστοιχων αντιδράσεων. Η αυξημένη θερμοκρασία μπορεί να είναι επαρκής (>6 C) για να υποστηρίξει μη καταλυτική θερμική οξείδωση της εναποτεθειμένης αιθάλης. Αυτός ο τρόπος οξείδωσης θεωρείται σημαντικός κατά τη διάρκεια περιοδικής αναγέννησης, όταν το στρώμα της αιθάλης «αναφλεγόμενο» μέσω κάποιας καταλυτικής διαδικασίας εξακολουθεί να καίγεται μόνο του. Η καταλυτική καύση της αιθάλης μελετήθηκε αρχικά σε συνδυασμό με την αεριοποίηση του άνθρακα. Έχει αποδειχθεί ότι ο ρυθμός αεριοποίησης του άνθρακα επιταχύνεται υπό την παρουσία σχεδόν κάθε ανόργανου συστατικού [3 ]. Μεταγενέστερες μελέτες εστιάστηκαν σε καταλύτες μετάλλων της ομάδας του λευκόχρυσου ή πλατίνα (Pt - Platinum), καθώς επίσης και σε οξείδια βάσεων και αλκαλικών γαιών. Οι ετερογενείς καταλυτικές διαδικασίες στην αέρια φάση συμβαίνουν κατά την επαφή αερίων μορίων με τον στερεό καταλύτη, δηλαδή οι αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια του καταλύτη. Η επαφή είναι υψίστης σημασίας για την οξείδωση της αιθάλης, όπως υποδηλώνεται από πολλούς μελετητές, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Ciambelli et al. [4]. Η σχετικά καλή επαφή μπορεί να εξασφαλισθεί με μεθόδους όπως η εμβάπτιση πρόδρομων καταλύτη στο καύσιμο (πρόσθετο καυσίμου), έχοντας ως αποτέλεσμα τα καταλυτικά σωματίδια να είναι ενσωματωμένα στην αιθάλη. Στα συστήματα καταλυτικού προσθέτου (FBC Fuel Borne Catalyst) εισάγεται καταλύτης με μορφή προσθέτου (όπως Ce, Fe, V, Mn, NiO, Cu O, ZnO κτλ) στο καύσιμο [5,6,7,8]. Κατά την καύση του στο θάλαμο, ο καταλύτης σχηματίζει οξείδια που αναμιγνύονται με την αιθάλη και καταλήγουν στα τοιχώματα των καναλιών της παγίδας. Η άμεση επαφή καταλύτη-αιθάλης διευκολύνει την καταλυτική αντίδραση αιθάλης και οξυγόνου, προσφέροντας έναν δρόμο ενεργειακά ευκολότερο. Τα συστήματα αυτά μπορούν να επιτύχουν αυθόρμητες αναγεννήσεις στην περιοχή των 4 C, ανάλογα με την τεχνολογία του κινητήρα (εκπομπές σωματιδίων), την ποιότητα καυσίμου (περιεχόμενο σε θείο) και τη δοσολογία προσθέτου στο καύσιμο. Μετά την αναγέννηση το καταλυτικό πρόσθετο παραμένει στην παγίδα με μορφή τέφρας. Αυτό είναι το μεγαλύτερο μειονέκτημα του εν λόγω συστήματος, καθώς η σταδιακή συσσώρευση τέφρας στο φίλτρο μπορεί να φράξει τα κανάλια και να προκαλέσει μη αποδεκτή αντίθλιψη. Επιπλέον είναι απαραίτητος συμπληρωματικός εξοπλισμός στο όχημα για την αυτόματη δοσολογία προσθέτου στο καύσιμο και ο ανεφοδιασμός του οχήματος με πρόσθετο ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Τα οξείδια του αζώτου είναι κατάλληλα να διαδραματίσουν το ρόλο του μεταφορέα οξυγόνου μεταξύ του καταλύτη και των σωματιδίων του άνθρακα στο καυσαέριο diesel. Είναι γνωστό ότι το ΝΟ το οποίο μπορεί να παραχθεί μέσω καταλυτικής οξείδωσης του

25 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 9 ΝΟ στο CDPF είναι πιο ενεργό στην οξείδωση της αιθάλης του diesel από το Ο, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Cooper and Thoss [9]. Η αναγέννηση με ΝΟ έχει εφαρμοστεί πλήρως στο φίλτρο συνεχούς αναγέννησης (CRT Continuously Regenerating Trap), το οποίο περιλαμβάνει έναν καταλύτη παραγωγής ΝΟ τοποθετημένο ανάντη ενός μη καταλυτικού φίλτρου [1]. Το καυσαέριο εισέρχεται στο φίλτρο με υψηλή συγκέντρωση ΝΟ και οξειδώνει τη συσσωρευμένη αιθάλη. Αντίθετα με το καταλυτικό φίλτρο, τα μόρια ΝΟ χρησιμοποιούνται μόνο μία φορά. Έτσι πέρα από τη θερμοκρασία ενεργοποίησης που είναι της τάξης των 5 C, απαιτείται και επαρκής αναλογία ΝΟ x /σωματιδίων στο καυσαέριο ώστε να υπάρχει περίσσεια ΝΟ x, όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Hawker et al. [11]. Στα καταλυτικά επικαλυμμένα φίλτρα το ΝΟ σχηματίζεται στο καταλυτικό τοίχωμα κατάντη της σωματιδιακής στρώσης. Ο μηχανισμός που κάνει δυνατή την οξείδωση της σωματιδιακής στρώσης είναι η διάχυση του ΝΟ [1, 13] αντίθετα στη ροή λόγο της διαφοράς συγκέντρωσης. Επιπλέον μια ορισμένη ποσότητα αιθάλης βρίσκεται κατάντη της ενεργής καταλυτικής επιφάνειας, καθώς κατά τη φόρτιση του φίλτρου οι πόροι του τοιχώματος γεμίζουν εν μέρει με αιθάλη. Η ποσότητα αυτή θα αντιδράσει χωρίς τη μεσολάβηση του παραπάνω μηχανισμού. Το βασικό πλεονέκτημα του καταλυτικού φίλτρου είναι ότι η εγγύτητα καταλύτη-αιθάλης επιτρέπει τη χρησιμοποίηση των οξειδίων του αζώτου για την οξείδωση της αιθάλης, περισσότερες από μία φορές. Τέλος η καταλυτική επιφάνεια επιταχύνει, παράλληλα με τα παραπάνω, την οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα και των άκαυστων υδρογονανθράκων, καθιστώντας τον οξειδωτικό καταλύτη περιττό σε ορισμένες εφαρμογές [14, 15]. Τα περισσότερα μοντέλα ξεκινούν με την παραγωγή του ΝΟ από την καταλυτική οξείδωση του ΝΟ. NO + 1 O NO (.1) To ΝΟ αντιδρά στη συνέχεια με το στερεό άνθρακα για να σχηματίσει CO και για να ξανά παράγει το μόριο του ΝΟ. Σε πολλά μοντέλα αυτό το βήμα περιλαμβάνει το σχηματισμό του ενεργού οξυγόνου Ο * στις Εξισώσεις (.) και (.3) αλλά έχουν προταθεί επίσης και πιο σύνθετοι μηχανισμοί [16, 17]. NO + (.) * NO O C + O * CO (.3) Τελικά, το CO οξειδώνεται καταλυτικά σε διοξείδιο του άνθρακα (CΟ ): CO + 1 O CO (.4) Παρόλη την ομοιότητα των ολικών χημικών αντιδράσεων, υπάρχουν διαφορές μεταξύ της χημείας των ΝΟ x στο CDPF και στο CRT. Στη συνέχεια αναφέρονται κάποιες ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις: Στο CDPF η αναγέννηση υποβοηθείται με την παρουσία του ΝΟ όχι μόνο με καταλύτη Pt, αλλά επίσης και με καταλύτες βασικών μετάλλων [4, 16]. Παρόλο που θεωρείται ότι και στις δύο περιπτώσεις το ΝΟ παράγεται ως ενδιάμεσο προϊόν, οι μηχανισμοί αντίδρασης πρέπει να είναι διαφορετικοί, όπως αποδεικνύεται από την συχνά αξιόλογη αύξηση του ΝΟ στην εξαγωγή με καταλύτη Pt, το οποίο δε συμβαίνει με τα βασικά μέταλλα.

26 1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Οι καταλύτες βασικών μετάλλων διατηρούν την οξειδωτική τους δράση παρουσία θείου, με την προϋπόθεση ότι τα ΝΟ και Η Ο βρίσκονται στην αέρια φάση [4]. Αντιθέτως, η αναγέννηση στο φίλτρο CRT (με καταλύτη Pt) μπλοκάρεται εντελώς από το θείο. Η παρουσία των ΝΟ και Η Ο αναφέρθηκε επίσης να επηρεάζει την επιλεκτικότητα (αναλογία CO /CO) με έναν καταλύτη βασικού μετάλλου [4]. Οι τύποι καταλύτη που παίζουν σημαντικό ρόλο στην αναγέννηση του CDPF είναι δύο: Η πλατίνα και τα οξείδια βασικών μετάλλων με ικανότητα αποθήκευσης οξυγόνου (OSC Oxygen Storage Capacity). Τα υλικά αποθήκευσης οξυγόνου είναι οξείδια όπου τα μέταλλα μπορούν να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις σθένους, επιτρέποντας έτσι την προσρόφηση και την εκρόφηση οξυγόνου. Ένα από τα υλικά αποθήκευσης οξυγόνου που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για πολλά χρόνια σε τριοδικούς καταλύτες βενζινοκινητήρων είναι το διοξείδιο του δημητρίου (CeO ). Άλλα τέτοια υλικά είναι τα οξείδια του σιδήρου, του μαγγανίου ή του χαλκού. Το δημήτριο και ο χαλκός έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης ως τα πιο αποτελεσματικά πρόσθετα καυσίμου στα αντίστοιχα συστήματα αναγέννησης του φίλτρου. Έχει αποδειχθεί ότι μεταξύ του καταλυτών αποθήκευσης οξυγόνου και του ΝΟ μπορεί να υπάρχουν αξιοσημείωτες επιδράσεις οι οποίες υποβοηθούν την οξείδωση της αιθάλης. Στην Εικ..3 παρουσιάζονται οι ρυθμοί οξείδωσης της αιθάλης μετρημένοι σε έναν εργαστηριακό αντιδραστήρα με και χωρίς έναν καταλύτη αποθήκευσης οξυγόνου (πιθανώς Ce ή Ce/Fe), με και χωρίς ΝΟ [17]. Είναι φανερό ότι το ΝΟ υποβοηθά τη δραστικότητα του καταλύτη σε χαμηλή θερμοκρασία, όπως παρατηρείται από τους αντίστοιχους ρυθμούς οξείδωσης στους 3 C. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται στην Εικ..3 πραγματοποιήθηκαν με αιθάλη όπου περιείχε καταλύτη προερχόμενος από τη χρήση ενός πρόσθετου καυσίμου. Οι ίδιες τάσεις παρατηρήθηκαν με αιθάλη που ήταν φυσικά αναμεμιγμένη με καταλύτη βασικών μετάλλων. Ενδεχομένως, σε ένα CDPF το μέγεθος της επίδρασης μπορεί να είναι μικρότερο εξαιτίας της μικρότερης επαφής της αιθάλης και του καταλύτη, αλλά η γενική τάση θα είναι αντίστοιχη.

27 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 11 Ρυθμός κατανάλωσης του C [mgc/s] Θερμοκρασία [ C] Εικ..3: Επίδραση του καταλύτη βασικού μετάλλου και του ΝΟ στο ρυθμό οξείδωσης της αιθάλης [17]... Τεχνολογία καταλυτικής επικάλυψης Η εφαρμογή του καταλύτη στο υπόστρωμα του φίλτρου μπορεί να γίνει με δύο μεθόδους: Εμποτισμός του καταλύτη με υδατικά διαλύματα προδρόμων του ή Επίστρωση του καταλύτη με αιωρήματα (πολτούς slurries) αδιάλυτων οξειδίων ή αλάτων. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί υδατικά διαλύματα πρόδρομων του καταλύτη, ευγενών και / ή βασικών μετάλλων και ακολουθείται από στέγνωμα και διαπύρωση (calcining). Κατά τη μέθοδο αυτή, εφαρμόζεται μία προκαθορισμένη ποσότητας διαλύματος χύνοντάς το στην πρόσοψη εισόδου του φίλτρου. Το διάλυμα διαποτίζεται κατά μήκος του υποστρώματος, έχοντας ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ομοιόμορφης κατανομής καταλύτη σε όλο το πορώδες τοίχωμα του φίλτρου. Το καταλυτικό πλέον φίλτρο δεν έχει συγκεκριμένη διεύθυνση ροής για τα καυσαέρια και μπορεί να αντιστραφεί η φορά του στο σύστημα εξαγωγής. Ο τελικός καταλύτης, συνήθως μέταλλο ή οξείδιο μετάλλου, σχηματίζεται από τον πρόδρομο του σε υψηλές θερμοκρασίες (συνήθως στους 5-6 C) κατά τη διάρκεια της διαπύρωσης που ακολουθεί μετά τον εμποτισμό και το στέγνωμα. Στη δεύτερη μέθοδος εφαρμόζεται στα τοιχώματα του φίλτρου επίστρωση, η οποία συγκρατεί τον καταλύτη σε αυτό. Οι φορείς του καταλύτη που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς είναι η αλουμίνα (alumina γ-al O 3 ), ο χαλαζίας (silica), ο ζεόλιθος (zeolite) και η ζιρκόνια (zirconia). Στην περίπτωση αυτή η επικάλυψη εφαρμόζεται χύνοντας μία ποσότητα πολτού στη μία πλευρά του υποστρώματος. Για να επιτευχθεί ομοιόμορφη κατανομή επικάλυψης και για να ελαχιστοποιηθεί το φράξιμο των πόρων, εφαρμόζεται στο υπόστρωμα συμπιεσμένος αέρας από μία αντλία κενού. Η ποσότητα του πολτού ανά φίλτρο καθορίζεται μέσω μίας δοκιμής προσρόφησης για κάθε υπόστρωμα. Η απομάκρυνση της πλεονάζουσας ποσότητας με συμπιεσμένο αέρα μπορεί να προκαλέσει προβλήματα, καθώς μπορεί να φιλτραριστούν αιωρούμενα σωματίδια επικάλυψης στο τοίχωμα του υποστρώματος. Εξ αιτίας αυτού του

28 1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ φιλτραρίσματος στο πορώδες τοίχωμα, οι επικαλύψεις των φίλτρων δεν είναι συμμετρικές. Στα κανάλια όπου περιχύνεται ο πολτός παρουσιάζεται περισσότερο υλικό επικάλυψης. Σε ορισμένες περιπτώσεις η διαφορετική επικάλυψη στα κανάλια εισόδου και εξόδου θα μπορούσε να αποτελεί πλεονέκτημα. Στα κανάλια εισόδου όπου βρίσκεται η αιθάλη θα μπορούσε να εφαρμοστεί καταλύτης για πτώση της θερμοκρασίας ανάφλεξης, ενώ τα κανάλια εξόδου θα μπορούσαν να επικαλυφθούν με άλλον καταλύτη για τη μείωση των αέριων ρύπων του καυσαερίου. Παρόλα αυτά, στην περίπτωση αυτή το φίλτρο γίνεται συγκεκριμένης κατεύθυνσης και δεν μπορεί να αντιστραφεί στο σύστημα εξαγωγής. Η εφαρμογή των τεχνολογιών επικάλυψης στα CDPF είναι πιο ενδιαφέρουσα από την επικάλυψη των υποστρωμάτων διαμπερών αντιδραστήρων (flow-through reactors). Όποτε χρησιμοποιούνται αιωρήματα, πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά η κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων του υλικού αιώρησης, καθώς επίσης και άλλες παράμετροι της διαδικασίας. Οι ακατάλληλες επικαλύψεις θα μπορούσαν να αυξήσουν την πτώση πίεσης του φίλτρου εξαιτίας του φραξίματος και \ ή του στενώματος των πόρων του τοιχώματος του υποστρώματος. Τα φίλτρα που εισήχθησαν στην αγορά τη δεκαετία του 199 είχαν μέση διάμετρο πόρων περίπου 1-15 μm. Η επικάλυψη τέτοιων υποστρωμάτων απαιτούσε σκόνες μικρότερου μεγέθους πόρων από αυτές που χρησιμοποιούνταν για τους διαμπερείς αντιδραστήρες. Το μέγεθος των πόρων και το πορώδες του υποστρώματος μπορούν επίσης να θέσούν περιορισμό στη μέγιστη φόρτιση της επίστρωσης. Για τα καταλυτικά φίλτρα έχουν εξελιχθεί υποστρώματα μεγαλύτερων πόρων και αυξημένου πορώδους για να επιτρέψουν μεγαλύτερες φορτίσεις επικάλυψης και πιο σύνθετα συστήματα καταλυτών [18, 19]. Οι τεχνολογίες επικάλυψης χρησιμοποιούν τρεις πιθανές μεθόδους εφαρμογής καταλυτών ευγενών μετάλλων (παράγοντας η κάθε μία κάπως διαφορετικό καταλύτη): 1. Πλατίνα (ή άλλο ευγενές μέταλλο) μπορεί να εμβαπτιστεί μετά τη διαπύρωση της επικάλυψης, ακολουθούμενη από μία δεύτερη διαπύρωση.. Πρόδρομος καταλύτη πλατίνας μπορεί να προστεθεί στον πολτό 3. Η πλατίνα μπορεί να αναμιχθεί με τη σκόνη της επικάλυψης (π.χ. με την αλουμίνα) και να διαπυρωθεί πριν ετοιμαστεί ο πολτός...3 Συστήματα καταλυτών Τα ποικίλα καταλυτικά συστήματα που χρησιμοποιούνται σε CDPF χρησιμοποιούν ευγενή μέταλλα, βασικά μέταλλα, καθώς και μίγματα ευγενών και βασικών μετάλλων. Η πλατίνα (Pt Platinum) είναι το πιο δραστικό και το πιο χρησιμοποιημένο ευγενές μέταλλο. Άλλα μέταλλα που ανήκουν στην ομάδα της πλατίνας και έχουν χρησιμοποιηθεί ως καταλύτες είναι το παλλάδιο (Pd Palladium), το ρόδιο (Rh Rhodium) το ρουθήνιο (Ru Ruthenium) και τα μίγματά τους. Τα μέταλλα που δεν ανήκουν στην ομάδα της πλατίνας και έχουν χρησιμοποιηθεί ως καταλύτες στα CDPF είναι το βανάδιο (V Vanadium), το δημήτριο (Ce Cerium), το μαγνήσιο (Mg Magnesium), το ασβέστιο (Ca Calcium), το στρόντιο (Sr Strontium), το βάριο (Ba Barium), το μαγγάνιο (Mn Manganese), ο σίδηρος (Fe Iron), ο χαλκός (Cu Copper) και ο άργυρος (Ag Silver). Οι καταλύτες των CDPF μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κατηγορίες: (1) καταλύτες βασιζόμενοι στην πλατίνα και () καταλύτες βασιζόμενοι σε βασικά μέταλλα: Τα βασικά μέταλλα τείνουν να είναι λιγότερο ενεργά στην προώθηση της αναγέννησης του φίλτρου (απαιτώντας έτσι υψηλότερες θερμοκρασίες αναγέννησης) και έχουν μικρή ενεργητικότητα στην οξείδωση του CO και των HC.

29 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 13 Ως πλεονέκτημα, σχηματίζουν λίγα ή καθόλου θειικά σωματίδια και /ή εκπομπές ΝΟ. Η πλατίνα (συνδυαζόμενη συνήθως με επιταχυντές) είναι τυπικά πιο ενεργή στην υποστήριξη της αναγέννησης του φίλτρου και στης οξείδωση του CO και των HC. Η τελευταία λειτουργία είναι σημαντική σε εφαρμογές όπου απαιτείται επίσης μείωση των αερίων εκπομπών. Τα μειονεκτήματα της πλατίνας είναι η παραγωγή θειικών σωματιδίων (η οποία περιορίζει την εφαρμογή τους με καύσιμα υψηλού θείου) και αυξημένα επίπεδα εκπομπών ΝΟ στην εξαγωγή..3 Περιορισμός των αερίων εκπομπών Τα καταλυτικά φίλτρα, εκτός από την προώθηση της αναγέννησης σε χαμηλές θερμοκρασίες, διευκολύνουν επίσης έναν αριθμό αντιδράσεων οξείδωσης στην αέρια φάση. Παρόμοιες οξειδωτικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στους οξειδωτικούς καταλυτικούς μετατροπείς των οχημάτων diesel. Ο περιορισμός των αερίων εκπομπών ενός CDPF ποικίλει, και εξαρτάται από τον τύπο και τη δραστικότητα του καταλύτη. Γενικά, καταλύτες που βασίζονται στην πλατίνα, και ειδικά εκείνοι με μεγάλες φορτίσεις Pt, είναι πολύ ενεργοί στην οξείδωση των υδρογονανθράκων και του μονοξειδίου του άνθρακα. Αντιθέτως, κάποιοι βασικοί καταλύτες που χρησιμοποιούνται στα CDPF, είναι αρκετά ανενεργοί όσον αφορά στην οξείδωση των αερίων ρύπων του καυσαερίου, με αποτέλεσμα να μην προκαλούν αξιοσημείωτες αλλαγές στις συγκεντρώσεις των CO και HC. Τα CDPF που βασίζονται στην πλατίνα επιτυγχάνουν τυπικά περίπου 85-9% μετατροπή του CO. Στην Εικ..4 παρουσιάζονται δεδομένα μετρήσεων μετατροπής των αερίων ρύπων CO, HC και ΝΟ x σε CDPF σε έναν κύκλο οδήγησης ESC (European Stationary Cycle Ευρωπαϊκός Κύκλος Σταθερών Συνθηκών) []. Ο κύκλος αυτός χαρακτηρίζεται από υψηλά μέσα φορτία και υψηλές θερμοκρασίες καυσαερίου οι οποίες ευνοούν τις καταλυτικές αντιδράσεις. Η απόδοση μετατροπής του CO μετρήθηκε στα 95%. Η μετατροπή του CO εξαρτάται επίσης από τον κύκλο της αναγέννησης. Απόδοση μετατροπής [%] Εικ..4: Μετατροπή των αέριων ρύπων σε ένα CDPF με καταλύτη Pt []. Τα CDPF με Pt επιτυγχάνουν τυπικά μετατροπή των υδρογονανθράκων κατά 6-7% εξαιτίας της καταλυτικής οξείδωσης, όπως παρουσιάζεται στην Εικ..4, και επιβεβαιώνεται από άλλες μελέτες [1]. Η ελάχιστη μείωση των εκπομπών NO x που μετριέται στα καταλυτικά φίλτρα της μελέτης πιθανώς προκαλείται από εσωτερική ανακυκλοφορία του καυσαερίου, παρά λόγω των καταλυτικών αντιδράσεων. Ωστόσο, όπως και κάθε άλλος οξειδωτικός καταλύτης, τα

30 14 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ CDPF μεταβάλλουν την αναλογία μεταξύ των συστατικών των NO x (NO \NO), αυξάνοντας τις εκπομπές NO μέσω της οξείδωσης του ΝΟ. Παρόλο που δεν υπάρχει μεταβολή στις συνολικές εκπομπές NO x, το φαινόμενο αυτό θεωρείται μειονέκτημα, εξαιτίας της υψηλής τοξικότητας του NO. Όπως όμως προαναφέρθηκε, το τελευταίο είναι απαραίτητο για την προώθηση της αναγέννησης μέσω της καύσης του με τον άνθρακα, σε συνδυασμό με το φαινόμενο της διάχυσης του από το καταλυτικό τοίχωμα προς τη σωματιδιακή στρώση..4 Συστήματα καταλυτικής αναγέννησης.4.1 Παθητικά συστήματα αναγέννησης Τα καταλυτικά φίλτρα στην παθητική τους μορφή βασίζονται στη θερμοκρασία του καυσαερίου για θερμική αναγέννηση. Με τη χρήση του καταλύτη οι θερμοκρασίες που απαιτούνται για την οξείδωση της αιθάλης, (κανονικά C) πέφτουν σε επίπεδα τα οποία συναντιούνται στη συνήθη λειτουργία του κινητήρα (real life operation) (3-4 C). Όπως σε όλες τις καταλυτικές διεργασίες, η θερμοκρασία του καυσαερίου είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει την αναγέννηση του φίλτρου. Ο ρυθμός της οξείδωσης της αιθάλης αυξάνεται με τη θερμοκρασία του φίλτρου. Αν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή, η αιθάλη συσσωρεύεται στο φίλτρο προκαλώντας υπερβολικό περιορισμό της ροής λόγω της υψηλής πτώσης πίεσης, και τελικά φράξιμο του φίλτρου. Φίλτρα που είναι υπερφορτισμένα με αιθάλη είναι επίσης επιρρεπή σε μη ελεγχόμενες αναγεννήσεις, οδηγώντας σε μηχανική αστοχία του υποστρώματος του φίλτρου (λιώσιμο, ράγισμα) εξαιτίας της μεγάλης θερμοκρασίας ή των θερμικών τάσεων που αναπτύσσονται σε ενδεχόμενη ενεργητική αναγέννηση. Μία άλλη συσκευή αντιρρύπανσης που παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της αναγέννησης υπό χαμηλές θερμοκρασίες, είναι ο οξειδωτικός καταλυτικός μετατροπέας (DOC). Στην εργασία των Mohammed et al. [] παρουσιάζονται μετρήσεις φόρτισης ενός καταλυτικού φίλτρου σε διάφορες θερμοκρασίες καυσαερίου με και χωρίς DOC ανάντη του φίλτρου. Στον Πιν..1 που ακολουθεί παρουσιάζονται μετρήσεις του ρυθμού της μάζας αιθάλης που συσσωρεύεται στο φίλτρο σε διάφορα φορτία θερμοκρασίες. Είναι φανερό ότι στην περίπτωση του συστήματος DOC+CDPF ο ρυθμός συσσώρευσης της αιθάλης στο φίλτρο είναι αισθητά μικρότερος, λόγω της μεγαλύτερης συγκέντρωσης του ΝΟ στην είσοδο του φίλτρου, η οποία ευνοεί την καύση της αιθάλης. Παρατηρείται επίσης ότι καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του καυσαερίου όλο και περισσότερη αιθάλη αναγεννιέται στο απλό CDPF, με δεδομένο ότι οι εκπομπές του κινητήρα μειώνονται μόνο κατά 3% από το 1 ο έως το τελευταίο φορτίο λειτουργίας του κινητήρα. Παρόμοια αποτελέσματα παρουσιάζονται στην εργασία των Dabhoiwala et al. [3], η οποία είναι συνέχεια της προηγούμενης εργασίας από τη ίδια ερευνητική ομάδα. Στην περίπτωση αυτή παρουσιάζεται σύγκριση των αποτελεσμάτων της παθητικής αναγέννησης των προηγούμενων συστημάτων με διαφορετική καταλυτική επίστρωση, τόσο στον DOC, όσο και στο CDPF. Κάτω από τους 4 C, ο κυρίαρχος μηχανισμός οξείδωσης της αιθάλης είναι λόγω του NO, με το σύστημα DOC+CDPF να είναι αποδοτικότερο.

31 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 15 Πιν..1: Ρυθμός συσσώρευσης αιθάλης σε CDPF με και χωρίς DOC []. Ποσοστό του μέγιστου φορτίου [%] Θερμοκρασία καυσαερίου [ C] Ρυθμός συσσώρευσης αιθάλης [g/h] CDPF DOC+CDPF Συνδυασμένα συστήματα παθητικής ενεργητικής αναγέννησης Σε εφαρμογές όπου τα φίλτρα είναι τοποθετημένα στον αρχικό εξοπλισμό του κατασκευαστή, τα καταλυτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται συχνά με υποστήριξη ενεργητικής αναγέννησης. Η ενεργητική αναγέννηση προκαλείται όταν η θερμοκρασία του καυσαερίου είναι πολύ χαμηλή για να διατηρήσει την παθητική αναγέννηση, με αποτέλεσμα το φίλτρο να συσσωρεύει τη μέγιστη επιτρεπόμενη ποσότητα αιθάλης. Αυτός ο τύπος του συστήματος φίλτρου χρησιμοποιείται σε πολλά μοντέλα επιβατικών αυτοκινήτων προδιαγραφών Euro 4 στην Ευρώπη. Προϋπόθεση φυσικά για τη σωστή λειτουργία του συστήματος είναι η ύπαρξη αισθητών πίεσης και θερμοκρασία πριν και μετά το φίλτρο, και η ύπαρξη ενσωματωμένου λογισμικού που μεταφράζει τις ενδείξεις τους σε ποσότητα αιθάλης. Σε αυτήν την περίπτωση το CDPF γίνεται ένα συστατικό ενός μεγαλύτερου συστήματος, το οποίο φέρει εις πέρας περισσότερες λειτουργίες από τον έλεγχο των σωματιδίων αιθάλης μόνο. Για παράδειγμα, τα οχήματα προδιαγραφών Euro 4 πρέπει επίσης να ελέγχονται για τις εκπομπές του κινητήρά τους σε CO και HC και NO x. Το σύστημα ελέγχου των εκπομπών ενσωματώνεται με στον κινητήρα. Για παράδειγμα, για τον περιορισμό των NO x το σύστημα διαχείρισης του κινητήρα ρυθμίζει το ποσοστό της ανακυκλοφορίας του καυσαερίου, ενώ για την υποστήριξη της αναγέννησης του φίλτρου χρησιμοποιούνται στρατηγικές διαχείρισης του κινητήρα, όπως δευτερογενής έγχυση κατά τη φάση της εκτόνωσης, με κατάλληλη λειτουργία του συστήματος έγχυσης κοινού αυλού. Στην Εικ..5 παρουσιάζονται πιθανές διαμορφώσεις του καταλυτικού φίλτρου στην εξαγωγή ενός κινητήρα [4]. Στην ιδανική περίπτωση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο ένα καταλυτικό φίλτρο σε κοντινή θέση με τον κινητήρα (close-coupled position, Σύστημα 3 Εικ..5) για τον έλεγχο των PM, CO και HC σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης και της ψυχρής εκκίνησης. Στην πράξη έχει χρησιμοποιηθεί ένα πλήθος διαφορετικών διαμορφώσεων φίλτρων, συχνά με τη χρήση ενός οξειδωτικού καταλύτη ανάντη του φίλτρου, για την προώθηση της παθητικής αναγέννησης σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως παρουσιάστηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Για παράδειγμα έχει χρησιμοποιηθεί μία μονάδα οξειδωτικού καταλύτη φίλτρου (DOC CDPF) στενά τοποθετημένα (close-coupled, Σύστημα Εικ..5), ή ένας οξειδωτικός καταλύτης κοντά

32 16 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ στον κινητήρα με ένα φίλτρο στον αγωγό εξαγωγής στο δάπεδο του οχήματος (underfloor DPF, με ή χωρίς DOC, Σύστημα 1 Εικ..5). Εικ..5: Παραδείγματα τοποθέτησης CDPF σχετικά με τη θέση του στο σύστημα εξαγωγής του κινητήρα [4]. Η Εικ..6 παρουσιάζει ένα φίλτρο σωματιδίων που τοποθετήθηκε τον Οκτώβριο του 3 στα επιβατικά τετρακύλινδρα μοντέλα C- και Ε-Class της Mercedes-Benz. Η μονάδα του φίλτρου αποτελείται από έναν οξειδωτικό καταλύτη (.5 λίτρων, >1 g/ft 3 Pt) και από ένα SiC-DPF (.5 λίτρων, 3-4 g/ft 3 Pt) [5 ]. Η μονάδα είναι σε κοινό μεταλλικό κάνιστρο και είναι τοποθετημένη κοντά στην πολλαπλή εξαγωγής, αμέσως μετά από τον στρόβιλο. Η αναγέννηση του φίλτρου γίνεται παθητικά σε χαμηλές θερμοκρασίες, όταν οι τελευταίες επιτυγχάνονται για σχετικά μεγάλα διαστήματα, όπως για παράδειγμα στη διάρκεια κίνησης του οχήματος σε αυτοκινητόδρομο. Οι αισθητές πίεσης και θερμοκρασίας δίνουν εντολή στο σύστημα διαχείρισης του κινητήρα να ενεργοποιήσει τη δευτερογενή έγχυση του καυσίμου, όταν έχει προηγηθεί μεγάλο διάστημα οδήγησης σε αστικές συνθήκες, έτσι να αυξηθεί η θερμοκρασία του υποστρώματος με την οξείδωση των HC στον DOC, και να αναγεννηθεί το CDPF ενεργητικά. Εικ..6: Φίλτρο σωματιδίων diesel για το μοντέλο E-Class της Mercedes-Benz [5]. Σε συστήματα ενεργητικής αναγέννησης δεν υπάρχουν σαφείς κανόνες σχετικά με τη φόρτιση του φίλτρου σε Pt, αφού η φόρτιση του σε μέταλλο αποτελεί άλλη μία μεταβλητή

33 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 17 της σχεδίασης του συστήματος. Φίλτρα με υψηλή φόρτιση σε Pt βασίζονται σε μεγαλύτερο βαθμό στην παθητική αναγέννηση, ενώ αυτά με μικρότερες φορτίσεις απαιτούν περισσότερη ενεργητική αναγέννηση. Σε κάθε περίπτωση, η συνολική ποσότητα της πλατίνας θα πρέπει να έχει τοποθετηθεί με βέλτιστο τρόπο μεταξύ του DOC και του CDPF, έτσι ώστε να γίνεται η μέγιστη εκμετάλλευση του ΝΟ που παράγεται στον DOC, μειώνοντας έτσι τα διαστήματα ενεργητικής αναγέννησης, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Koltsakis et al. [6]. Για κινητήρες βαρέου τύπου έχουν επίσης εξελιχθεί φίλτρα παρόμοιας στρατηγικής παθητικής ενεργητικής αναγέννησης. Στην Εικ..7 παρουσιάζεται μία σχηματική παράσταση ενός συστήματος φίλτρου σωματιδίων που έχει εμπορευματοποιηθεί από την Hino με την εμπορική ονομασία DPR (Diesel Particulate Reduction Μείωση Σωματιδίων του Diesel). Το σύστημα έχει τοποθετηθεί σε ένα πλήθος μοντέλων. Στον κινητήρα 13 λίτρων Hino E13C, το σύστημα DPR χρησιμοποιεί έναν οξειδωτικό καταλύτη 6 λίτρων και ένα φίλτρο 17 l [7, 8]. Και ο DOC και το CDPF είναι επικαλυμμένοι με έναν καταλύτη βασισμένο στην Pt με φόρτιση που δεν αποκαλύπτεται. Για το DPR εξελίχθηκε από την Hitachi Metals ένα υπόστρωμα κορδιερίτη υψηλού πορώδους (6 cpsi, 1 mil πάχος τοιχώματος, 1.5 mμ μέσο μέγεθος πόρων). Οι εκπομπές NO x ελέγχονταν με συνδυασμό εξωτερικού και εσωτερικού EGR. Εικ..7: Σχηματική παράσταση του συστήματος DPR της Hino [7]. Το καταλυτικό φίλτρο μπορεί να διατηρήσει συνεχής, παθητική αναγέννηση σε φορτία κινητήρα περίπου πάνω από το 4% του πλήρους φορτίου. Σε χαμηλό φορτίο, η ενεργητική αναγέννηση ενεργοποιείται αυξάνοντας τη θερμοκρασία του φίλτρου περίπου στους 6 C με το συνδυασμό δευτερογενούς έγχυσης του κινητήρα και του οξειδωτικού καταλύτη. Κατά το χρόνο της εκτόνωσης μπορούν να διεξαχθούν δύο εγχύσεις κοινού αυλού για να αυξήσουν τη θερμοκρασία της καύσης και για εμπλουτίσουν το καυσαέριο σε υδρογονάνθρακες, οι οποίοι στη συνέχεια οξειδώνονται στον καταλύτη για να αυξήσουν περαιτέρω τη θερμοκρασία του φίλτρου. Η δεύτερη μετά-έγχυση (post-injection) λαμβάνει χώρα αμέσως πριν ανοίξει η βαλβίδα εξαγωγής (πριν το Κάτω Νεκρό Σημείο). Όταν η θερμοκρασία του φίλτρου είναι πολύ χαμηλή, προστίθεται μία πρόωρη μετά-έγχυση (afterinjection) μόλις αμέσως μετά το Άνω Νεκρό Σημείο, στην αρχή του χρόνου εκτόνωσης. Και οι δύο αργοπορημένες εγχύσεις ελέγχονται χρησιμοποιώντας ως δεδομένο τη θερμοκρασία του φίλτρου. Στην Εικ..8 παρουσιάζονται η θερμοκρασία του φίλτρου και

34 18 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ η σχετική ποσότητα των δύο μετά-εγχύσεων κατά τη διάρκεια αναγέννησης σε συνθήκες οδήγησης χαμηλής ταχύτητας. Ταχύτητα [km/h] Μεταέγχυση Θερμοκρασία [ C] Χρόνος [s] Εικ..8: Ενεργητική αναγέννηση υπό αστικές συνθήκες οδήγησης [7]. Στην ίδια εργασία, πραγματοποιήθηκε επίσης μία σειρά από δοκιμές αντοχής του κινητήρα σε δυναμόμετρο (με καύσιμο 5 ppm S και λιπαντικό χαμηλών επιπέδων στάχτης), οι οποίες έδειξαν ότι η πτώση πίεσης δεν αυξήθηκε και ότι ο καταλύτης δεν έχασε την αποδοτικότητά του. Οι δοκιμές συσσώρευσης στάχτης (8 h με λιπαντικό κανονικών επιπέδων στάχτης) έδειξαν μία αύξηση κατά 1% της πτώσης πίεσης με παθητική αναγέννηση, και καθόλου αύξηση της πτώσης πίεσης με ενεργητική αναγέννηση. Η ανάλυση του φίλτρου αποκάλυψε ότι η περισσότερη στάχτη συλλέχθηκε στο τέλος των καναλιών στην περίπτωση της ενεργητικής αναγέννησης, σε αντίθεση με μία πιο ομοιόμορφη κατανομή στάχτης με περισσότερο φράξιμο των πόρων κατά μήκος του τοιχώματος των καναλιών στην περίπτωση της παθητικής αναγέννησης. Στην περίπτωση που τα φίλτρα συσσωρεύουν στάχτη κατά τη λειτουργία τους, μπορούν να καθαριστούν πλένοντας τα με νερό. Η αύξηση της κατανάλωσης του καυσίμου από τη λειτουργία του συστήματος DPR ήταν μικρότερη από 1%.

35 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 19 Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Ranalli M., Zelenka P., Schmidt S. and Elfinger S., 1. An Active Regeneration Aid as a Key Element for Safe Particulate Trap Use, SAE paper Αbthoff J., Schuster H., Langer H., Loose G., The Regenerable Trap Oxidizer--An Emission Control Technique for Diesel Engines. SAE Paper Mims C.A., In: Fundamental Issues in Control of Carbon Gasification Reartivity, Kluwer Academic Publishers (Springer Verlag, Berlin). 4 Ciambelli P., V. Palma, P. Russo, S. Vaccaro,. The role of NO in the regeneration of catalytic ceramic filters for soot removal from exhaust gases. Catalysis Today, 6(1), p Montierth M., "Fuel Additive Effect upon Diesel Particulate Filters", SAE paper Wiedemann B., Doerges U., Engeler W., Poettner B., "Application of Particulate Traps and Fuel Additives for Reduction of Exhaust Emissions", SAE paper Lepperhoff G., Lueders, H., Barthe P., Lemaire J., "Quasi-Continuous Particle Trap Regeneration by Cerium-Additives", SAE paper Richards P., Terry B., Vincent M.W., Cook S.L., "Assessment of the Performance of Diesel Particulate Filter Systems with Fuel Additives for Enhanced Regeneration Characteristics", SAE paper Cooper Β. J., Thoss J. E., Role of NΟ in Diesel Particulate Emission Control. SAE Paper Cooper B.J., Jung H.J., Thoss J.E., 199. "Treatment of Diesel Exhaust Gases", US Patent Hawker P., Myers N., Hüthwohl G., Vogel H.T., Bates B., Magnusson L. and Bronnenberg P., "Experience with a New Particulate Trap Technology in Europe", SAE paper Muntean G., Rector D. Herling D., Lessor D., Khaleel M., 3. Lattice-Boltzmann Diesel Particulate Filter Sub-Grid Modeling- A Progress Report, SAE paper Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 4. "Back-diffusion Modeling of NO in Catalyzed Diesel Particulate Filters ", Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 43, 4, pp Mizutani T., Watanabe Y., Yuuki K., Hashimoto S., Hamanaka T. and Kawashima J, 4. Soot Regeneration Model for SiC-DPF System Design, SAE paper Maly M., Claussen M., Carlowitz O., Kroner P., Ranalli M. and Schmidt S., 4. Influence of the Nitrogen Dioxide Based Regeneration on Soot Distribution, SAE paper Mul G., Zhu W., Kapteijn F., Moulijn J., The Effect of NO x and CO on the Rate of Transition Metal Oxide Catalyzed Black Carbon Oxidation: An Exploratory Study. Applied Catalysis B: Environmental, 17, pp Jacquot F., Brilhac J. F., 4. Soot Oxidation By O and/or NO in the Presence of Catalysts Under Lean-Burn and Rich Atmospheres. SAE Paper Ichikawa S., Uchida Y., Otsuka A., Harada T., Hamanaka T., 3. Material Development of High Porous SiC for Catalyzed Diesel Patriculate Filters. SAE Paper Maunula T., Matilainen P., Louhelainen M., Juvonen P. and Kinnunen T., 7. Catalyzed Particulate Filters for Mobile Diesel Applications. SAE Paper DECSE,. Phase I Interim Data Report No. 4: Diesel Particulate Filters. U.S. DOE, January,

36 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 1 Suresh, A., J.H. Johnson, S.T. Bagley and D.G. Leddy, 1. A Study of the Effect of a Catalyzed Particulate Filter on the Emissions from a Heavy-Duty Diesel Engine with EGR. SAE Paper Mohammed H., Lakkireddy V. R., Johnson J. H. and Bagley S. T., 6. An Experimental and Modeling Study of a Diesel Oxidation Catalyst and a Catalyzed Diesel Particulate Filter Using a 1-D -Layer Model. SAE Paper Dabhoiwala R. H., Johnson J. H., Naber J. D. and Bagley S. T., 8. Experimental and Modeling Results Comparing Two Diesel Oxidation Catalyst Catalyzed Diesel Particulate Filter Systems. SAE Paper Pfeifer M., Kögel M., Spurk P. C. and Jeske G., 7. New Platinum/Palladium Based Catalyzed Filter Technologies for Future Passenger Car Applications. SAE Paper Seguelong, T., 4. Diesel Particulate Filters Market Introduction in Europe: Review and Status. US DOE, 1th Diesel Engine Emissions Reduction Conference (DEER), San Diego, CA, August 4, ng.pdf. 6 Koltsakis G. C., Dardiotis C. K., Samaras Z. C. Maunula T., Kinnunen T. and Lundorf P., 9. Optimization Methodologies for DPF Substrate Catalyst Combinations. SAE Paper Toorisaka H., Minamikawa J., Narita H., Muramatsu T., Kominami T. and Sone T., 4. DPR Developed for Extremely Low PM Emissions in Production Commercial Vehicles. SAE Paper Muramatsu T., Kominami T., Minamikawa J., Matsunami M., Komatsu J. and Ozawa J., 6. DPR with Empirical Formula to Improve Active Regeneration of a PM Filter. SAE Paper

37 3 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 3.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό μελετώνται διάφοροι τύποι καταλυτικών φίλτρων όσον αφορά στη συμπεριφορά τους κατά τη φάση της φόρτισης. Η μελέτη βασίζεται σε μετρήσεις που διεξήχθησαν σε κινητήρα, οι οποίες στοχεύουν στον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών διήθησης και πτώσης πίεσης. Οι στοχευόμενες φορτίσεις των ποικίλων φίλτρων που εξετάζονται παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την πτώση πίεσης συναρτήσει της φόρτισης της καταλυτικής επικάλυψης και της δομής του τοιχώματος του φίλτρου. Η μελέτη ολοκληρώνεται με την εφαρμογή κατάλληλων υπολογιστικών εργαλείων, όπως το μοντέλο πρόβλεψης της απόδοσης διήθησης και πτώσης πίεσης του φίλτρου. Παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις παράμετροι των μοντέλων αυτών, και επαληθεύονται σε ποικίλες συνθήκες φόρτισης με διαφορετική παροχή καυσαερίου και υπό διαφορετικές αρχικές συνθήκες μάζας αιθάλης των φίλτρων. Η σωστή πρόβλεψη της μάζας στο τοίχωμα του φίλτρου, και ιδιαιτέρως του καταλυτικού, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη φάση της μερικής αναγέννησης, όπως θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. 3. Θεωρητικό υπόβαθρο 3..1 Διήθηση σωματιδίων Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της θεωρίας διήθησης. Αναφέρονται τα είδη των δυνάμεων που ενεργούν στο σωματίδιο της αιθάλης κατά την εναπόθεσή του στο τοίχωμα του φίλτρου, οι βασικές εξισώσεις του μοντέλου διήθησης που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της, και οι βασικές παραδοχές του. Έστω ότι ξεκινά η φόρτιση ενός καθαρού φίλτρου. Η διήθηση των σωματιδίων στο φίλτρο γίνεται σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση γίνεται διήθηση σωματιδίων μέσα στο τοίχωμα (deep-bed filtration διήθηση βαθιάς κλίνης). Καθώς μπλοκάρουν οι πόροι του τοιχώματος μειώνεται η διαπερατότητά του και η πτώση πίεσης αυξάνεται εκθετικά. Στη διάρκεια της φάσης αυτής ο βαθμός απόδοσης της διήθησης ξεκινά από μία ελάχιστη τιμή που αντιστοιχεί στο βαθμό απόδοσης διήθησης κλίνης του καθαρού φίλτρου. Καθώς γεμίζει το τοίχωμα, αυξάνεται σταδιακά, μέχρι να φτάσει τελικά στο 1% όταν το τοίχωμα έχει κορεστεί από αιθάλη. Από αυτή τη στιγμή και μετά η αιθάλη εναποτίθεται στην επιφάνεια του τοιχώματος και αρχίζει να δημιουργείται η σωματιδιακή στρώση. Η σωματιδιακή στρώση δρα ως φίλτρο, ανακόπτοντας την πορεία των καινούριων σωματιδίων (cake or surface filtration διήθηση επιφανειακού τύπου ή σωματιδιακής στρώσης). Από τη στιγμή που θα αρχίσει η διήθηση σωματιδιακής στρώσης η πτώση πίεσης αυξάνεται γραμμικά, φυσικά σε πρωτόκολλο σταθερών συνθηκών λειτουργίας. Περισσότερα για την πτώση πίεσης και τους μηχανισμούς της που συνεισφέρουν στη συνολική Δp, αναφέρονται στην επόμενη παράγραφο (3..). Στην παράγραφο αυτή, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές και παραδοχές του μοντέλου διήθησης κλίνης.

38 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Στην Εικ. 3.1 παρουσιάζονται οι κυριότεροι μηχανισμοί διήθησης κλίνης. Για την περιγραφή των μηχανισμών αυτών, χρησιμοποιείται στη βιβλιογραφία το μοντέλο διήθησης κόκκου από πολλούς ερευνητές [1, ]. (α) Διάχυση (β) Αναχαίτιση (γ) Βαρύτητα (δ) Αδράνεια Εικ. 3.1: Μηχανισμοί διήθησης κλίνης. Στην Εικ. 3. που ακολουθεί, παρουσιάζεται η κίνηση ενός σωματιδίου στην περίπτωση της εναπόθεσής του στο τοίχωμα λόγω του μηχανισμού της διάχυσης. Με συμβολίζεται η διάμετρος του σωματιδίου, ενώ το υποδηλώνει τη διάμετρο του κόκκου πάνω στον οποίο διαχέεται. Ο μηχανισμός αυτός λαμβάνει χώρα όταν τα σωματίδια αποκλίνουν από τις ροϊκές τους γραμμές λόγο της κίνησης Brown και συλλέγονται στο φίλτρο αφού έρθουν σε επαφή με το υλικό του. Ο βαθμός απόδοσης διήθησης λόγω διάχυσης κατά την κίνηση του σωματιδίου γύρω από σφαίρα δίνεται από την εμπειρική Εξ. (3.1). Οι δυνάμεις διάχυσης είναι μεγαλύτερες όσο πιο μικρό είναι το σωματίδιο. η =.45 Pe D η clean 3 d i d p (3.1)

39 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 3 Εικ. 3.: Μηχανισμός διήθησης λόγω διάχυσης. Στη συνέχεια στην Εικ. 3.3 παρουσιάζεται ο μηχανισμός διήθησης λόγω αναχαίτισης. Ο μηχανισμός αυτός λαμβάνει χώρα όταν σωματίδια που κινούνται στις ροϊκές τους γραμμές έρχονται σε επαφή με το υλικό του φίλτρου και συλλέγονται στην επιφάνεια. Όσο μεγαλύτερα είναι τα σωματίδια, τόσο πιο εύκολα συλλέγονται με το μηχανισμό της αναχαίτισης. Ο βαθμός απόδοσης διήθησης λόγω αναχαίτισης κατά την κίνηση του σωματιδίου γύρω από σφαίρα δίνεται από την εμπειρική Εξ.(3.). η R = η clean 13.5 R (3.) Εικ. 3.3: Μηχανισμός διήθησης λόγω αναχαίτισης. Τέλος στην Εικ. 3.4 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι μηχανισμοί διήθησης λόγω βαρύτητας και αδράνειας. Ο μηχανισμός διήθησης λόγω αδράνειας λαμβάνει χώρα όταν εξαιτίας μίας ραγδαίας αλλαγής στη διεύθυνση της ροής τα σωματίδια του καυσαερίου αποκλίνουν από τις ροϊκές τους γραμμές λόγω των αδρανειακών δυνάμεων. Ως αποτέλεσμα, προσκρούουν πάνω στο τοίχωμα του φίλτρου και συλλέγονται σταδιακά από αυτό. Ανάλογη πορεία ακολουθούν τα σωματίδια λόγω των αντίστοιχων δυνάμεων του μηχανισμού διήθησης λόγω βαρύτητας. Σύμφωνα με μελέτες που έχουν γίνει [1, 3] οι δυνάμεις αδράνειας και βαρύτητας παίζουν σημαντικό ρόλο για σχετικά μεγάλα σωματίδια, τα οποία δεν είναι αντιπροσωπευτικά των αντίστοιχων του καυσαερίου του diesel. Στο μοντέλο η διάμετρος του σωματιδίου θεωρείται σταθερή, με τιμή 6 nm. Για τέτοιο μέγεθος σωματιδίων οι αδρανειακές και βαρυτικές δυνάμεις έχουν αμελητέα επίδραση στη διήθηση κλίνης. Αντιθέτως, ο

40 4 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ μηχανισμός της διάχυσης είναι αυτός που υπερισχύει, και σε μικρότερο βαθμό ο αντίστοιχος μηχανισμός της αναχαίτισης. (α) Βαρύτητα (β) Αδράνεια Εικ. 3.4: Μηχανισμοί διήθησης λόγω: (α) βαρύτητας και (β) αδράνειας. Στην Εικ. 3.5 που ακολουθεί, παρουσιάζεται η σχετική συνεισφορά του κάθε μηχανισμού διήθησης, σε συνάρτηση με το μέγεθος των σωματιδίων του καυσαερίου. Στη διάμετρο σωματιδίων που υποτίθεται ότι προσομοιώνει το σωματίδιο της αιθάλης (6 nm), η συνεισφορά των μηχανισμών αδράνειας και βαρύτητας στη συνολική απόδοση διήθησης είναι μηδενική. Απόδοση διήθησης [-] Εικ. 3.5: Συνεισφορά των μηχανισμών διήθησης κλίνης στην απόδοση διήθηση σφαιρικού σωματιδίου συναρτήσει της διαμέτρου του [3]. Υπολογίζεται έτσι ο συνολικός αρχικός βαθμός απόδοσης διήθησης κλίνης ως το άθροισμα των επιμέρους βαθμών λόγω του μηχανισμού αδράνειας και αναχαίτισης. η = η + η g, D R (3.3) Καθώς νέα σωματίδια έρχονται και επικάθονται στο τοίχωμα, οι πόροι του κλείνουν σταδιακά. Σύμφωνα με το παρόν μαθηματικό μοντέλο, η επίδραση της φόρτισης της αιθάλης στην απόδοση διήθησης λαμβάνεται υπόψη με την ακόλουθη εμπειρική έκφραση:

41 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 5 η g 3η load ( η ) erf W = η g, + 1 g, cap (3.4) W cap ε p, ε p = ε p, (3.5) Τελικά, η απόδοση της διήθησης κλίνης υπολογίζεται από την ακόλουθη έκφραση: E wall = 1 e ( ε ) 3 1 p, Δx η g ε p. d grain, (3.6) Το μοντέλο που περιγράφηκε παραπάνω προβλέπει μία εκθετική κατανομή της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα. Επιπλέον λαμβάνει υπόψη του τις επιδράσεις των συνθηκών λειτουργίας και της κατάστασης του τοιχώματος στη στιγμιαία απόδοση διήθησης. 3.. Πτώση πίεσης Καθώς το καυσαέριο περνά μέσα από το φίλτρο, συναντά αντίσταση. Στις Εικ. 3.6 και Εικ. 3.7 παρουσιάζονται οι όροι αντίστασης που συνεισφέρουν στη συνολική πτώση πίεσης, καθώς το καυσαέριο διέρχεται μέσα από το φίλτρο. Κάθε όρος αντίστασης συνεισφέρει σε διαφορετικό βαθμό στη συνολική πτώση πίεσης. Εξαρτάται από τη μάζα της αιθάλης που έχει εναποτεθεί μέσα στο φίλτρο [4]. Αρχικά όταν το φίλτρο είναι καθαρό, οι όροι που συνεισφέρουν περισσότερο είναι οι αντίστοιχοι λόγω της ροής δια μέσω του τοιχώματος και κατά μήκος του καναλιού. Καθώς το φίλτρο φορτίζεται με αιθάλη, ο όρος πτώσης πίεσης που υπερισχύει είναι ο αντίστοιχος λόγω της ροής μέσω της σωματιδιακής στρώσης. Μόνο σε πολύ υψηλές φορτίσεις η πτώση πίεσης του καναλιού έχει αυξημένη συνεισφορά λόγω της στένωσης του καναλιού εισόδου από τη σωματιδιακή στρώση που σχηματίζεται σε αυτό. Οι όροι της πτώσης πίεσης του διαχύτη, της απότομης στένωσης και διεύρυνσης έχουν πολύ μικρή συνεισφορά στη συνολική, και ανεξάρτητη από τις συνθήκες φόρτισης του φίλτρου. Αντίσταση αξονικής ροής Αντίσταση ροής διαμέσου σωματιδιακής στρώσης και τοιχώματος Εικ. 3.6: Ισοδύναμο υδραυλικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την επίλυση του πεδίου ροής στο πρόβλημα μεμονωμένου καναλιού.

42 6 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Αντίσταση διαχύτη Αντίσταση καναλιού Αντίσταση απότομης στένωσης Αντίσταση απότομης διεύρυνσης Εικ. 3.7: Ισοδύναμο υδραυλικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την επίλυση του πεδίου ροής στο πρόβλημα πολλαπλών καναλιών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις υπολογισμού του κάθε όρου πτώσης πίεσης. Περισσότερα αναφέρονται στην παράγραφο 3 του Παραρτήματος Α. Απώλεια πίεσης διαχύτη Δ p i diffuser, i = 1 ζ Ain m& i A out ρin A Απώλειες πίεσης λόγω στένωσης / διεύρυνσης Δp Δ contraction sec (3.7) ( d w) ρ 1v (3.8) 1 z= = ( ) d + w w d v z L p = expansion ( d + w ) w = 1 ρ (3.9) Απώλεια πίεσης μέσα στο κανάλι Δ pchannel, i = p1, i ( z = ) p, i ( z = L) (3.1) Απώλεια πίεσης μέσα στο τοίχωμα Δ p wall μv = k s w w s (3.11) Απώλεια πίεσης μέσα στη σωματιδιακή στρώση

43 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 7 Δp soot = ( ρ v ) RT μdρ wvw d βdw w ln + M g p k p ( p) d w d w w (3.1) Η συνολική πτώση πίεση δίνεται από το άθροισμα όλων των επιμέρους όρων που την αποτελούν: Δ p = Δp + Δp + Δp + Δp + Δp + Δp (3.13) diffuser expansion channel wall soot contraction 3.3 Πειραματική διάταξη Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε έναν κινητήρα diesel άμεσης έγχυσης χωρητικότητας 1.9 l υπερτροφοδοτούμενο, με ανακυκλοφορία του καυσαερίου (EGR Exhaust Gas Recirculation). Ο κινητήρας ήταν συνδεδεμένος με δυναμόμετρο δινορευμάτων. Ο αρχικός οξειδωτικός καταλύτης του κατασκευαστή του κινητήρα απομακρύνθηκε και στη θέση του τοποθετήθηκε το αντίστοιχο σύστημα αντιρρύπανσης, αποτελούμενο είτε από DOC και CDPF, είτε από απλό CDPF. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων καταγράφονταν με συχνότητα 1Hz η πτώση πίεσης, η θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις των αερίων συστατικών του καυσαερίου ανάντη και κατάντη του φίλτρου. Επίσης μετρήθηκε η συγκέντρωση του καυσαερίου σε αιθάλη πριν και μετά το φίλτρο σε τακτές χρονικές στιγμές για τον προσδιορισμό της απόδοσης διήθησης. Η πειραματική διάταξη του ΕΕΘ, στην οποία πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις, περιγράφεται με μεγαλύτερη ακρίβεια στο Παράρτημα C. Ο βαθμός διήθησης προσδιορίστηκε πειραματικά με τη βοήθεια του οργάνου Smoke Meter της εταιρίας AVL, με κωδικό μοντέλου 415S. Το όργανο μετρά τη συγκέντρωση αιθάλης (ή γραφίτη) στο καυσαέριο κινητήρων εσωτερικής καύσης με μονάδες [mg/m 3 ] και εύρος από έως 3 με ακρίβεια 1 -. Η τιμή αναφέρεται στους 5 C και στα 1 kpa (1 bar). Το όργανο στηρίζεται σε έναν πίνακα μετατροπής του «μαυρίσματος» του φίλτρου σε συγκέντρωση σωματιδίων. Οι τιμές του «μαυρίσματος» αναφέρονται σε συγκεκριμένες συνθήκες. Έτσι αυτό που κάνει το όργανο είναι να διορθώνει την μετρημένη «μαυρισμένη» τιμή με τον όγκο του καυσαερίου που πέρασε και στη συνέχεια να μετατρέπει αυτό το «διορθωμένο μαύρισμα» σε συγκέντρωση σωματιδίων. Η μέτρηση διαρκεί 9 περίπου δευτερόλεπτα, με αποτέλεσμα να περνάει ένας συγκεκριμένος όγκος καυσαερίου από το φίλτρο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το μαύρισμα του φίλτρου. Η πρώτη τιμή που εξάγεται είναι το ΡΒ (Paper Blackening), το οποίο δηλώνει το πόσο μαύρισε το φίλτρο με το συγκεκριμένο μήκος (όγκο) δειγματοληψίας που πέρασε. Το άσπρο θεωρείται και το μαύρο 1. Μετριέται από οπτικό ρεφλεξιόμετρο. Το όργανο επικοινωνεί με ηλεκτρονικό υπολογιστή, στον οποίο καταγράφονται οι τιμές της συγκέντρωσης αιθάλης στο καυσαέριο. Ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται από την εξίσωση: E f 1 1 [ C] [ ] κατάντη C ανά = ντη [ ] (3.14) Όπου C είναι η μετρημένη συγκέντρωση της αιθάλης ανάντη και κατάντη του φίλτρου. Επειδή η κάθε μέτρηση διαρκεί περίπου 1.5 min, δεν είναι δυνατή η συνεχής μέτρηση της

44 8 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ συγκέντρωσης της αιθάλης. Το αποτέλεσμα είναι ο βαθμός απόδοσης που μετριέται να είναι υπολογισμός σημειακών ενδείξεων του οργάνου, χωρίς να ξεκινούν φυσικά από τη χρονική στιγμή t= s της εκάστοτε φόρτισης, όπως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια στην Εικ Έτσι, η πρώτη ένδειξη του βαθμού απόδοσης δεν είναι υποχρεωτικά και η ελάχιστη του φίλτρου. Είναι όμως συγκρίσιμη με τις αντίστοιχες ενδείξεις των άλλων φίλτρων Φίλτρα σωματιδίων που χρησιμοποιήθηκαν Τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν είναι κατασκευασμένα από την εταιρία NOTOX [5]. Το υλικό κατασκευής τους είναι το SiC με μικρό μέσο μέγεθος πόρων (1 μm) ή μεγαλύτερο (3 μm) με εμπορικές ονομασίες MD- και MD-HP αντίστοιχα. Η πυκνότητα των κελιών είναι cpsi και το πάχος του τοιχώματος είναι.4 mm. Το φίλτρο με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων εξετάστηκε με και χωρίς καταλυτική επικάλυψη, ενώ το αντίστοιχο με το μεγάλο μέγεθος πόρων εξετάστηκε μόνο με καταλυτική επικάλυψη. Για την κατανομή της καταλυτικής επικάλυψης ομοιόμορφα στους πόρους του τοιχώματος, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος sol-gel. Η μέθοδος αυτή έχει ως αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση της αύξησης της πτώσης πίεσης λόγω της εφαρμογής της καταλυτικής επικάλυψης και σε υψηλό ποσό επικάλυψης ογκομετρικά, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Maunula et al. [6 ]. Η αρχική κατανομή του μεγέθους των πόρων διατηρήθηκε σχεδόν όμοια μετά την εφαρμογή της επικάλυψης. Η μεγαλύτερη ποσότητα καταλυτικής επικάλυψης (g/l) είναι σημαντική για τη σταθεροποίηση των ευγενών μετάλλων σε συνθήκες λειτουργίας. Η ποσότητα της καταλυτικής επικάλυψης ήταν ή 4 g/l, ενώ η φόρτιση της Pt ήταν 1 ή 3 g/cft (.35 ή 1.6 g/l). Πριν από τα πειράματα τα φίλτρα ψήθηκαν παρουσία αέρα στους 7 C για 3 ώρες για τη σταθεροποίησή τους κοντά σε συνθήκες αναγέννησης. Ο DOC που χρησιμοποιήθηκε είχε μεταλλικό υπόστρωμα και καταλυτική επικάλυψη αποτελούμενη από μίγμα μεταλλικών οξειδίων, ζεόλιθου και πλατίνα ως ενεργό μέταλλο. Η φόρτιση του DOC σε Pt ήταν 5 g/cft (1.76 g/l), ενώ η ποσότητα της καταλυτικής του επικάλυψης ήταν 118 g/l. Στον Πιν. 3.1 που ακολουθεί, παρουσιάζονται οι συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν στις μετρήσεις του κεφαλαίου αυτού, καθώς και των κεφαλαίων 4 και 5. Η κωδικοποιημένη ονομασία του κάθε συστήματος έχει προκύψει από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά του, όσον αφορά στον τοποθετημένο ανάντη DOC, στη φόρτιση της Pt, στο μέσο μέγεθος πόρων ή στο πορώδες και στη φόρτιση της καταλυτικής επικάλυψης.

45 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 9 Πιν. 3.1: Φίλτρα σωματιδίων της εταιρίας NOTOX που χρησιμοποιήθηκαν. Κωδική ονομασία DOC Φόρτιση Pt Μέσο μέγεθος πόρων Φόρτιση καταλυτικής φίλτρου (Pt loading) (Mean pore size) επικάλυψης (Coating [g/cft] [μm] / Πορώδες loading) [g/l] (Porosity) [%] DOC+Bare LP ναι - 13./4.9 - DOC+LPt+LP+LC ναι 1 13./4 HPt+LP+LC /4 HPt+HP+LC - 3 3/45 HPt+HP+HC - 3 3/4 4 Στον Πιν. 3. παρουσιάζονται οι γεωμετρικές ιδιότητες των υποστρωμάτων των δύο τύπων φίλτρων που χρησιμοποιήθηκαν. Πιν. 3.: Γεωμετρικές ιδιότητες των φίλτρων της ΝΟΤΟΧ. Ιδιότητα MD- MD-HP Υλικό υποστρώματος SiC SiC Διάμετρος φίλτρου.144 m.144 m Μήκος φίλτρου.154 m.154 m Μήκος βύσματος.668 m.668 m Πυκνότητα κελιών cells/in cells/in Πάχος τοιχώματος 4. x 1-4 m 4. x 1-4 m Πυκνότητα υποστρώματος kg/m 3 kg/m 3 Μέσο μέγεθος πόρων 13. x 1-6 m 3 x 1-6 m Πορώδες (μη καταλυτικό) 4.9% 48%

46 3 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Αξίζει να σημειωθεί ότι όπως φαίνεται και από τους παραπάνω πίνακες το πορώδες του φίλτρου MD-HP μειώνεται από 48% σε 45% όταν εφαρμόζεται η καταλυτική επικάλυψη (για το φίλτρο με τη χαμηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης HPt+HP+LC) ενώ στο αντίστοιχο HPt+HP+HC (με υψηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης) το πορώδες του μεταβάλλεται από 48% σε 4%. Στην περίπτωση αυτή το πορώδες γίνεται σχεδόν ίδιο με το αντίστοιχο του μη καταλυτικού MD- φίλτρου (Bare LP). Όπως όμως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια, η συμπεριφορά τους στην απόδοση διήθησης των σωματιδίων μέχρι να γεμίσει το τοίχωμά τους είναι αρκετά διαφορετική Πρωτόκολλο μέτρησης Στον Πιν. 3.3 παρουσιάζονται τα πρωτόκολλα μέτρησης του κάθε φίλτρου με τη σειρά που διεξήχθησαν. Πριν από τη Φόρτιση 1, το κάθε σύστημα αντιρρύπανσης μετρήθηκε υπό ένα πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης, το οποίο θα αναλυθεί στο επόμενο κεφάλαιο, με τη βοήθεια του οποίου προέκυψαν οι κινητικές οξείδωσης των αντιδράσεων στο καταλυτικό τοίχωμα. Οι συγκεντρώσεις των αερίων προς εξέταση καταγράφονταν με συχνότητα 1 Hz από τις ενδείξεις των αναλυτών καυσαερίου ανάντη και κατάντη του καταλυτικού φίλτρου. Πριν από τα πρωτόκολλα θέρμανσης ψύξης, Φόρτισης 1 και Φόρτισης υψηλής παροχής τα φίλτρα καθαρίζονται από την αιθάλη εντελώς, θερμαίνοντάς τα σε φούρνο στους 65 C για 3 h, απουσία καυσαερίου. Πρέπει να εξασφαλιστεί ότι είναι εντελώς καθαρά από αιθάλη, ακόμη και μέσα στο τοίχωμα ή στην περιφέρεια τους. Μετά τη θέρμανση τα φίλτρα υπόκεινται σε πεπιεσμένο αέρα από την έξοδο της ροής για να απομακρυνθούν οποιαδήποτε υπολείμματα στάχτης τα οποία δεν οξειδώνονται περαιτέρω. Στο παρόν κεφάλαιο θα μελετηθούν μόνο τα πρωτόκολλα των φορτίσεων. Η Φόρτιση 1 περιλαμβάνει δύο σημεία λειτουργίας, ένα χαμηλής (1 kg/h) και ένα υψηλής παροχής καυσαερίου (4 kg/h). Κάθε μισή ώρα φόρτισης αποτελείται από 5 min λειτουργίας υπό χαμηλή παροχή και 5 min υπό αντίστοιχα υψηλή. Η συνολική διάρκεια είναι.5 h. Η εναλλαγή μεταξύ των δύο παροχών παρέχει τη δυνατότητα να επαληθευτεί το μοντέλο πτώσης πίεσης σε ποικίλες συνθήκες παροχής και εκπομπών αιθάλης. Μετά τη φόρτιση ακολουθούν τρεις αναγεννήσεις σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Οι δύο πρώτες παθητικές αναγεννήσεις στους 33 C και στους 4 C εξετάζονται στο κεφάλαιο 5. Στη συνέχεια ακολουθεί η Φόρτιση. Το πρωτόκολλό της είναι ίδιο με την 1 η φόρτιση, εκτός από τη διάρκεια της, η οποία είναι 1.5 h. Οι αρχικές συνθήκες της ης φόρτισης, όσον αφορά στην κατανομή της εναπομένουσας αιθάλης τόσο στο τοίχωμα όσο και στο στρώμα σωματιδιακής στρώσης στα κανάλια εισόδου, έχουν προκύψει από την τελική κατάσταση του φίλτρου μετά την αναγέννηση υψηλής θερμοκρασίας που προηγήθηκε, στους 58 C. Σκοπός της ης φόρτισης είναι η μελέτη του φαινομένου της υστέρησης. Σύμφωνα με το τελευταίο, η πτώση πίεσης του φίλτρου έχει διαφορετική συμπεριφορά όταν φορτιστεί αμέσως μετά από μία μερική αναγέννηση [7, 8]. Στη διάρκεια της αναγέννησης η αιθάλη στο τοίχωμα καίγεται, με αποτέλεσμα να καθαρίζει εντελώς. Όμως παραμένει αιθάλη στη σωματιδιακή στρώση στα κανάλια εισόδου, η οποία δρα ως τέλειο φίλτρο, συγκρατώντας όλη την νέα αιθάλη που εκπέμπεται και φτάνει στο φίλτρο στη φάση της φόρτισης. Η σωματιδιακή στρώση που έχει παραμείνει, δεν επιτρέπει να εισέλθει αιθάλη στο τοίχωμα ξανά. Για δεδομένη μάζα αιθάλης, η πτώση πίεσης είναι μικρότερη στη διάρκεια της ης φόρτισης, αφού το καθαρό πλέον τοίχωμα του φίλτρου έχει μικρότερη πτώση πίεσης από την αντίστοιχη του γεμάτου, στην 1 η φόρτιση. Οι φορτίσεις 1 και είναι κυρίως υπό

47 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 31 χαμηλή παροχή, αφού το 85% της διάρκειάς τους λαμβάνει χώρα υπό αντίστοιχες συνθήκες. Τέλος αφού το φίλτρο καθαριστεί εντελώς σε φούρνο όπως προαναφέρθηκε, ακολουθεί η Φόρτιση υψηλής παροχής. Ο κινητήρας λειτουργεί σε σταθερό σημείο λειτουργίας για 3 h, με παροχή καυσαερίου 3 kg/h. Η φόρτιση αυτή διεξάγεται για να συγκριθεί η συμπεριφορά της πτώσης πίεσης και της απόδοσης διήθησης με τις μικτές συνθήκες της Φόρτισης 1. Πιν. 3.3: Πρωτόκολλα μέτρησης των φίλτρων της NOTOX. Πρωτόκολλο Διάρκεια Σημείο λειτουργίας (παροχή [kg/h]/ θερμοκρασία [ C] καυσαερίου) Θέρμανσης Ψύξης (διπλού φίλτρου) h & 1 67/13, 7/155, 8/, 9/35, 95/75, 11/3, 11/4 και αντίστροφα Φόρτιση 1.5 h 5x(1/4-4/3) Αναγέννηση 33 C.5 h /33 Αναγέννηση 4 C.5 h 15/4 Αναγέννηση 58 C 15 33/58 Φόρτιση 1.5 h 3x(1/4-4/3) Φόρτιση υψηλής παροχής 3 h 3/3 3.4 Απόδοση διήθησης Στην παράγραφο αυτή μελετάται η συμπεριφορά των φίλτρων όσον αφορά στην απόδοση διήθησης κατά τη φόρτισή τους, υπό συνθήκες χαμηλής και υψηλής παροχής καυσαερίου και εκπομπών αιθάλης. Η μελέτη περιλαμβάνει πειραματικά και υπολογιστικά δεδομένα, με παράλληλη σύγκρισή και ανάλυσή τους Μετρήσεις απόδοσης διήθησης Στην Εικ. 3.8 παρουσιάζεται η μετρημένη απόδοση διήθησης συναρτήσει του χρόνου για τα ποικίλα συστήματα φίλτρων που εξετάστηκαν. Η Εικ. 3.8α αναφέρεται σε συνθήκες φόρτισης χαμηλής παροχής καυσαερίου, ενώ η Εικ. 3.8β σε αντίστοιχες υψηλής. Κατά τη διάρκεια των πρωτοκόλλων φόρτισης, εκτός από την παροχή, διαφέρουν και οι εκπομπές αιθάλης μεταξύ των δύο σημείων λειτουργίας που παρουσιάζονται: Στη φόρτιση υπό χαμηλή παροχή οι εκπομπές αιθάλης του κινητήρα είναι περίπου 3 g/h, ενώ στην αντίστοιχη υψηλής παροχής είναι περίπου τριπλάσιες. Οι αυξημένες εκπομπές αιθάλης

48 3 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ στην υψηλή παροχή αναμένεται να παίξουν ρόλο στην εξέλιξη της απόδοσης διήθησης καθώς γεμίζει το τοίχωμα. Όλες οι καμπύλες δείχνουν την ίδια ποιοτική συμπεριφορά, ξεκινώντας με μία σχετικά χαμηλή τιμή απόδοσης διήθησης η οποία φτάνει ασυμπτωτικά ως το 1%. Αυτή η συμπεριφορά οφείλεται στη μετάβαση από τη διήθηση κλίνης στη διήθηση σωματιδιακής στρώσης καθώς οι πόροι του τοιχώματος γεμίζουν σταδιακά με συσσωρευμένη αιθάλη, όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο Η αρχική ή η απόδοση διήθησης του καθαρού φίλτρου διέπεται από τους νόμους της διάχυσης και της αναχαίτισης των σωματιδίων που περνούν μέσα από τους πόρους του τοιχώματος, με αποτέλεσμα να εξαρτάται αποκλειστικά από τη δομή του τοιχώματος. Η σύγκριση ξεκινά με τα φίλτρα χαμηλού μέσου μεγέθους πόρων και μελετάται η επίδραση της καταλυτικής επικάλυψης στην απόδοση διήθησης. Η παρουσία της καταλυτικής επικάλυψης φαίνεται να αυξάνει την απόδοση διήθησης, ανεξάρτητα από τις συνθήκες παροχής του καυσαερίου. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στο χαμηλότερο πορώδες του επικαλυμμένου με καταλυτική επικάλυψη τοιχώματος το οποίο αυξάνει την απόδοση διήθησης λόγω αναχαίτισης. Όπως παρουσιάστηκε και στον Πιν. 3., το πορώδες του φίλτρου MD- μειώνεται από 4.9% σε 4% με την εφαρμογή της καταλυτικής επικάλυψης. Αντίστοιχη οριακή αύξηση της απόδοσης διήθησης παρατηρείται στο φίλτρο με υψηλό μέσο μέγεθος πόρων και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+HC), αν συγκριθεί με το αντίστοιχο με χαμηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+LC). Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η αύξηση της απόδοσης διήθησης οφείλεται στη μείωση του αρχικού πορώδους του τοιχώματος από 45% σε 4% μεταξύ αυτών των δύο φίλτρων. Στη συνέχεια μελετάται η επίδρασης της δομής του τοιχώματος στην απόδοση διήθησης. Τα φίλτρα με μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων είναι εμφανές ότι έχουν αισθητά χαμηλότερη απόδοση διήθησης και απαιτούν αρκετά περισσότερο χρόνο για να επιτύχουν τιμές απόδοσης 1%. Πρέπει να σημειωθεί ότι το πορώδες του φίλτρου με υψηλό μέσο μέγεθος πόρων και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+LC) είναι περίπου ίδιο με το αντίστοιχο του μη καταλυτικού φίλτρου (Bare LP) (Πιν. 3.1), ωστόσο η απόδοση διήθησης είναι αισθητά χαμηλότερη. Αυτό σημαίνει ότι η απόδοση διήθησης εξαρτάται κυρίως από το μέσο μέγεθος πόρων, παρά από το πορώδες του υποστρώματος. Συμπερασματικά, η μείωση του πορώδους του τοιχώματος είναι μικρότερης σημασίας από την αντίστοιχη μείωση του μέσου μεγέθους των πόρων [3, 9, 1].

49 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 33 Χαμηλή παροχή (1 kg/h) 1 9 Απόδοση διήθησης [%] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC Χρόνος [s] (α) Υψηλή παροχή (3 kg/h) Απόδοση διήθησης [%] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC Χρόνος [s] (β) Εικ. 3.8: Μετρημένη απόδοση διήθησης συναρτήσει του χρόνου για τα διάφορα συστήματα υπό συνθήκες: (α) χαμηλής και (β) υψηλής παροχής καυσαερίου. Η μελέτη της μετρημένης απόδοσης διήθησης ολοκληρώνεται με την επίδραση της παροχής του καυσαερίου. Στην περίπτωση όπου οι εκπομπές αιθάλης του κινητήρα είναι σταθερές και ανεξάρτητες την παροχής του καυσαερίου, η μόνη παράμετρος που επηρεάζει την απόδοση διήθησης είναι παροχή του καυσαερίου ή η ταχύτητα διήθησης. Σύμφωνα με μελέτη που παρουσιάζεται στην εργασία των Ohara et al. [3], ή αύξηση της

50 34 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ταχύτητας διήθησης προκαλεί μείωση στην απόδοσή της. Αυτό παρατηρείται και στην Εικ. 3.8, αν συγκριθούν οι πρώτες τιμές της απόδοσης για τα αντίστοιχα φίλτρα, όταν το τοίχωμα είναι ακόμη άδειο από αιθάλη. Στη συνέχεια όμως η συμπεριφορά της απόδοσης σε σχέση με την παροχή αντιστρέφεται. Υπό συνθήκες υψηλής παροχής οι εκπομπές αιθάλης του κινητήρα είναι μεγαλύτερες σχεδόν τριπλάσιες, όπως αναφέρθηκε. Η αυξημένες αυτές εκπομπές προκαλούν το γέμισμα του τοιχώματος γρηγορότερα, με αποτέλεσμα να αυξάνεται και η απόδοση διήθησης προς τη μέγιστή της τιμή πιο γρήγορα σε σχέση με την αντίστοιχη υπό χαμηλή παροχή καυσαερίου Επαλήθευση του μοντέλου διήθησης Στη παράγραφο αυτή παρουσιάζεται η επαλήθευση του μοντέλου διήθησης, όπως παρουσιάζεται στις παραγράφους 3..1 του ίδιου κεφαλαίου και 6.. του Παραρτήματος Α. Στον Πιν. 3.4 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι παράμετροι του μοντέλου διήθησης οι οποίοι είναι σταθεροί για όλα τα φίλτρα, ανεξάρτητα από τη δομή του τοιχώματος. Η Πυκνότητα εναπόθεσης της αιθάλης στο τοίχωμα είναι μία τιμή αναφοράς της μάζας αιθάλης ανά όγκο τοιχώματος σε ταχύτητα διήθησης. m/s. Η τιμή αυτή καθορίζει την εξάρτηση της χωρητικότητας του τοιχώματος (σε μάζα αιθάλης) από την ταχύτητα διήθησης, δηλαδή από την παροχή του καυσαερίου. Η εξάρτηση αυτή λαμβάνεται υπόψη στο μοντέλο με μία γραμμική συνάρτηση της πυκνότητας εναπόθεσης της αιθάλης, σύμφωνα με την οποία: Για ταχύτητα διήθησης.1 m/s, η πυκνότητα στο τοίχωμα έχει τιμή 4 kg/m 3 Για ταχύτητα διήθησης.1 m/s, η πυκνότητα στο τοίχωμα έχει τιμή 13 kg/m 3 Δηλαδή, όταν η ταχύτητα διήθησης (ή η παροχή του καυσαερίου) είναι μεγαλύτερη, για τον ίδιο όγκο τοιχώματος θα έχει εναποτεθεί μεγαλύτερη μάζα αιθάλης σε αυτό υπό συνθήκες υψηλής παροχής. Όπως θα παρουσιαστεί και στη συνέχεια, αρχικά η αιθάλη είτε εναποτίθεται στο τοίχωμα είτε διαφεύγει από αυτό, επειδή είναι ακόμη καθαρό. Στη συνέχεια, καθώς γεμίζει το τοίχωμα κλείνουν οι πόροι του, αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης διήθησης και αρχίζει να σχηματίζεται η σωματιδιακή στρώση. Το μοντέλο προβλέπει μία μεταβατική περιοχή, στην οποία ενώ έχει αρχίσει να σχηματίζεται η σωματιδιακή στρώση, μέρος της αιθάλης περνά από αυτήν και εναποτίθεται στο τοίχωμα. Μόλις η μάζα της αιθάλης ανά επιφάνεια διήθησης ξεπεράσει την τιμή της παραμέτρου Μάζα σχηματισμού της σωματιδιακής στρώσης, το τοίχωμα γίνεται αδιαπέραστο και όλη πλέον η αιθάλη εναποτίθεται στη σωματιδιακή στρώση. Η Μέση διάμετρος σωματιδίου είναι η αντίστοιχη τιμή της κατανομής των σωματιδίων του κινητήρα diesel. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 3..1, η τιμή των 6 nm που έχει επιλεγεί είναι αντιπροσωπευτική του μεγέθους του σωματιδίου, και καθορίζει τη σχετική συνεισφορά των μηχανισμών διήθησης κλίνης. Η τιμή αυτή είναι τόσο μικρή, ώστε επιτρέπει να αμεληθούν από το μοντέλο οι αδρανειακές και οι βαρυτικές δυνάμεις που ασκούνται στα σωματίδια κατά τη διήθηση κλίνης.

51 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 35 Πιν. 3.4: Παράμετροι του μοντέλου διήθησης, ανεξάρτητοι από τη δομή του τοιχώματος. Παράμετρος Τιμή Παρατηρήσεις Πυκνότητα εναπόθεσης της αιθάλης στο τοίχωμα (Wall deposit density [kg/m 3 ]) 55 Τιμή αναφοράς της πυκνότητας εναπόθεσης της αιθάλης στο τοίχωμα σε ταχύτητα διήθησης.m/s. Μάζα σχηματισμού της σωματιδιακής στρώσης (Cake formation mass [kg/m ]) Μέση διάμετρος σωματιδίου (Mean particle diameter [m]) 1 x 1-3 Μάζα της σωματιδιακής στρώσης ανά επιφάνεια διήθησης, πάνω από την οποία όλη η αιθάλη εναποτίθεται στο τοίχωμα. 6 x 1-9 Μέση τιμή της διαμέτρου της κατανομής των σωματιδίων του καυσαερίου του κινητήρα. Στον Πιν. 3.5 που ακολουθεί, παρουσιάζονται δύο παράμετροι του μοντέλου διήθησης ακόμη, οι οποίοι εξαρτώνται από τη δομή του τοιχώματος. Η πρώτη, ο Συντελεστής διόρθωσης της απόδοσης διήθησης του καθαρού τοιχώματος, είναι ο όρος η clean που εμφανίζεται στις εξισώσεις (3.1) και (3.). Είναι ένας διορθωτικός συντελεστής της απόδοσης διήθησης του καθαρού τοιχώματος λόγω των μηχανισμών διάχυσης και αναχαίτισης ο οποίος καθορίζει τον ελάχιστο βαθμό απόδοσης διήθησης του αρχικά καθαρού τοιχώματος. Η τιμή του συντελεστή αυτού εξαρτάται έμμεσα από τη δομή του τοιχώματος και προκύπτεί ότι για τα φίλτρα με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων είναι μικρότερος. Όσο πιο μικρός είναι ο συντελεστής, τόσο πιο μικρή είναι η απόδοση διήθησης κλίνης του καθαρού τοιχώματος, για δεδομένο μέσο μέγεθος πόρων και φυσικά παροχής καυσαερίου. Η η παράμετρος, η Παράμετρος κλίσης της απόδοσης διήθησης κλίνης, είναι ο όρος load η της εξίσωσης (3.4), η οποία εκφράζει τη μεταβολή της απόδοσης διήθησης από τη φόρτιση αιθάλης του τοιχώματος. Στην περίπτωση των φίλτρων με μικρό μέσο μέγεθος πόρων η κλίση της αύξησης της απόδοσης είναι αισθητά μεγαλύτερη, όπως άλλωστε αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Αντίστοιχα μεγαλύτερος είναι και ο συντελεστής αυτός.

52 36 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Πιν. 3.5: Παράμετροι του μοντέλου διήθησης, εξαρτώμενοι από τη δομή του τοιχώματος. Παράμετρος Φίλτρο Συντελεστής διόρθωσης της απόδοσης διήθησης του καθαρού τοιχώματος (Clean wall filtration efficiency correction factor [-]) Παράμετρος κλίσης της απόδοσης διήθησης κλίνης (Gradient parameter in wall filtration efficiency [-]) Bare LP 1.5 LPt+LP+LC & HPt+LP+LC HPt+HP+LC & HPt+HP+HC Στην Εικ. 3.9 που ακολουθεί παρουσιάζεται η σύγκριση της μετρημένης και της υπολογισμένης απόδοσης διήθησης κατά την αρχική φάση των φορτίσεων υπό χαμηλή και υψηλή παροχή καυσαερίου. Η σύγκριση αφορά μόνο δύο από τα φίλτρα που μετρήθηκαν με ίδια φόρτιση Pt και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης. Η διαφορά των δύο φίλτρων είναι στο πορώδες και κυρίως στο μέσο μέγεθος πόρων. Το μοντέλο είναι ικανό να προβλέψει με ικανοποιητική ακρίβεια της απόδοση διήθησης υπό όλες τις συνθήκες λειτουργίας που μελετήθηκαν και με διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά των υποστρωμάτων των φίλτρων. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζεται επίσης η μάζα της αιθάλης που συσσωρεύεται στο τοίχωμα και η αντίστοιχη συνολική μάζα στο φίλτρο. Στο φίλτρο με υψηλό μέσο μέγεθος πόρων το μοντέλο προβλέπει διπλάσια περίπου μάζα αιθάλης στο τοίχωμα, τόσο στην χαμηλή (.75 g στο LP και 1.6 g στο HP Εικ. 3.9α) όσο και στην υψηλή παροχή (1.5 g στο LP και.5 g στο HP Εικ. 3.9β). Επίσης, προβλέπεται η εξάρτηση της μάζας στο τοίχωμα από την παροχή του καυσαερίου ή αλλιώς από την ταχύτητα διήθησης. Στην υψηλή παροχή η μάζα που εισέρχεται στο τοίχωμα είναι κατά 7% μεγαλύτερη, όπως υπολογίζεται με τη βοήθεια της παραμέτρου Πυκνότητα εναπόθεσης της αιθάλης στο τοίχωμα και της σχετικής συνάρτησης που ήδη παρουσιάσθηκε. Η αύξηση της κλίσης της συνολικής αιθάλης που παρατηρείται στην Εικ. 3.9α μετά τη χρονική στιγμή t=16 s περίπου, οφείλεται σε αλλαγή του σημείου λειτουργίας του κινητήρα υπό μεγαλύτερη παροχή καυσαερίου, και άρα με υψηλότερες εκπομπές αιθάλης. Η αλλαγή αυτή διαρκεί μόνο 5 min, οπότε τη χρονική στιγμή t=19 s η κλίση της συνολικής αιθάλης γίνεται ίδια με την αρχική. Στην ίδια εικόνα είναι επίσης εμφανής η μετάβαση από τη διήθηση κλίνης στην αντίστοιχη της σωματιδιακής στρώσης. Όπως αναφέρθηκε, στην περιοχή αυτή, παρόλο που έχει αρχίσει να σχηματίζεται η σωματιδιακή στρώση, μέρος της αιθάλης εξακολουθεί να εισέρχεται ακόμη στο τοίχωμα, σύμφωνα με την παράμετρο Μάζα σχηματισμού της σωματιδιακής στρώσης.

53 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 37 Η σωστή πρόβλεψη της μάζας στο τοίχωμα παίζει σημαντικό ρόλο στην πρόβλεψη της πτώσης πίεσης, όπως θα αναλυθεί στην επόμενη παράγραφο. Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Χαμηλή παροχή (1 kg/h) LP: διήθηση LP: Αιθάλη.5 Απόδοση διήθησης [%] ΗP: διήθηση HP: Αιθάλη ΗP: Αιθάλη τοιχώματος LP: Αιθάλη τοιχώματος Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (α) Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Υψηλή παροχή (3 kg/h) LP: διήθηση 8 5 Απόδοση διήθησης [%] ΗP: διήθηση LP: Αιθάλη HP: Αιθάλη ΗP: Αιθάλη τοιχώματος LP: Αιθάλη τοιχώματος Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (β) Εικ. 3.9: Πρόβλεψη της απόδοσης διήθησης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης για δύο φίλτρα με διαφορετικό μέσο μέγεθος πόρων υπό συνθήκες: (α) χαμηλής και (β) υψηλής παροχής καυσαερίου.

54 38 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Τέλος, στην Εικ. 3.1 παρουσιάζονται οι κατανομές της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα και στη σωματιδιακή στρώση, σε διάφορες χρονικές στιγμές υπό συνθήκες φόρτισης υψηλής παροχής καυσαερίου. Στα θετικά του άξονα x είναι το πάχος του τοιχώματος, με μέγιστη τιμή.4mm, όπως παρουσιάστηκε και στον Πιν. 3.. Στα αρνητικά είναι το πάχος της σωματιδιακής στρώσης. Στον άξονα y η τιμή αντιπροσωπεύει την πυκνότητα της αιθάλης για τη σωματιδιακή στρώση και τη συγκέντρωση της αιθάλης στο τοίχωμα, για την αιθάλη που έχει εισχωρήσει σε αυτό. Η κατανομή της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα είναι και για τα δύο φίλτρα εκθετική. Οι χρονικές στιγμές που παρουσιάζονται είναι διαφορετικές σε κάθε φίλτρο, μέχρι να γεμίσει το τοίχωμα, γιατί όπως παρουσιάστηκε και στην Εικ. 3.9β η διάρκεια της φόρτισης του τοιχώματος είναι μεγαλύτερη στο φίλτρο με το υψηλό μέσο μέγεθος πόρων. Φυσικά, στην ίδια παγίδα συσσωρεύεται και μεγαλύτερη ποσότητα αιθάλης στο τοίχωμα, επειδή λόγω της πιο «ανοιχτής» δομής του τοιχώματος, η αιθάλη εισέρχεται σε μεγαλύτερο βάθος στο τοίχωμα του φίλτρου. Ακόμη και στο μέγιστο πλάτος του τοιχώματος (x= mm) είναι εμφανής η διαφορά της μάζας αιθάλης που έχει φτάσει εκεί, φυσικά υπέρ του φίλτρου με το υψηλό μέσο μέγεθος πόρων (Εικ. 3.1β). Όσον αφορά στη σωματιδιακή στρώση, παρουσιάζονται δύο χρονικές στιγμές περίπου στη μέση του πρωτοκόλλου (t=56 s) και μία δεύτερη στο τέλος του. Παρόλο που η διάρκεια των δύο φορτίσεων και οι εκπομπές αιθάλης είναι σχεδόν ίδιες, το πάχος της σωματιδιακής στρώσης είναι μεγαλύτερο στο φίλτρο με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων. Αυτό εξηγείται λόγω της μικρότερης μάζας αιθάλης που εισέρχεται στο τοίχωμα του, με συνέπεια να συσσωρεύεται περισσότερη αιθάλη στη σωματιδιακή στρώση. Οι κατανομές της αιθάλης θα παρουσιαστούν και στην επόμενη παράγραφο, όπου θα εξεταστούν σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες κατανομές στη φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση. LP Υψηλή παροχή (3 kg/h) Συγκέντρωση ή πυκνότητα αιθάλης [kg/m3] t=195 Σωματιδιακή στρώση t=56 Τοίχωμα t= t=1 t= t=3 t=35 t=4 t=5 t=7 t= Πάχος τοιχώματος [mm] (α)

55 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 39 HP Υψηλή παροχή (3 kg/h) Συγκέντρωση ή πυκνότητα αιθάλης [kg/m3] t=19 Σωματιδιακή στρώση t=56 Τοίχωμα t= t=3 t=6 t=8 t=1 t=11 t=1 t=14 t= Πάχος τοιχώματος [mm] (β) Εικ. 3.1: Κατανομές της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα και στη σωματιδιακή στρώση σε διάφορες χρονικές στιγμές υπό συνθήκες φόρτισης υψηλής παροχής καυσαερίου για δύο φίλτρα με: (α) μικρό και (β) μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων. 3.5 Πτώση πίεσης Στην παράγραφο αυτή εξετάζεται η συμπεριφορά των διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης όσον αφορά στην πτώση πίεσης σε συνδυασμό με την ποσότητα της αιθάλης που συσσωρεύεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Η μελέτη στηρίζεται τόσο σε μετρήσεις, όσο και σε προσομοιώσεις των μετρήσεων με τη βοήθεια του μοντέλου προσομοίωσης του φίλτρου Μετρήσεις πτώσης πίεσης Στην Εικ παρουσιάζονται η μετρημένη πτώση πίεσης για τα ποικίλα φίλτρα της μελέτης αυτής κατά τη διάρκεια φόρτισης υπό σχετικά υψηλή παροχή καυσαερίου (3 kg/h). Όπως είναι αναμενόμενο, το μη καταλυτικό φίλτρο επιδεικνύει τη μικρότερη πτώση πίεσης. Όλες οι καμπύλες παρουσιάζουν ίδια συμπεριφορά, η οποία χαρακτηρίζεται από μία μη γραμμική αρχική αύξηση της πτώσης πίεσης. Η αρχικά φάση της φόρτισης αντιστοιχεί στο μπλοκάρισμα των πόρων του τοιχώματος λόγω της διήθησης κλίνης. Στη συνέχεια, η πτώση πίεσης αυξάνεται γραμμικά [11, 1 ], το οποίο οφείλεται στην αυξανόμενη αντίσταση ροής μέσω του συσσωρευμένου στρώματος αιθάλης στα κανάλια εισόδου, δηλαδή στην αύξηση της πτώσης πίεσης λόγω της αιθάλης, όπως παρουσιάστηκε στην εξίσωση (3.1). Σε όλα τα συστήματα η κλίση της πτώσης πίεσης συναρτήσει της μάζας αιθάλης είναι περίπου ίδια, το οποίο σημαίνει ότι οι ιδιότητες της διαπερατότητας του στρώματος αιθάλης είναι πρακτικά ίδιες σε όλα τα συστήματα, τουλάχιστον υπό τις συνθήκες παροχής και θερμοκρασίας που εξετάζονται εδώ. Η κλίση της πτώσης πίεσης κατά τη διάρκεια της φόρτισης εξαρτάται επίσης και από τα χαρακτηριστικά της δομής

56 4 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ του τοιχώματος (πυκνότητα κελιών, πάχος τοιχώματος), όπως παρουσιάζεται σε ποικίλες εργασίες [13, 14]. Στην περίπτωση της παρούσας ανάλυσης, τα χαρακτηριστικά αυτά είναι ίδια για όλα τα φίλτρα, οπότε η κλίση εξαρτάται αποκλειστικά από τη διαπερατότητα της αιθάλης. Στη συνέχεια συγκρίνεται η πτώση πίεσης των καταλυτικών με το αντίστοιχο μη καταλυτικό φίλτρο. Τα φίλτρα με τη χαμηλότερη φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+LP+LC & LPt+LP+LC) παρουσιάζουν αυξημένη πτώση πίεσης κατά τη διάρκεια της αρχικής φάσης της διήθησης κλίνης κατά περίπου 5% σε σχέση με το μη καταλυτικό φίλτρο με το ίδιο αρχικό μέσο μέγεθος πόρων (Bare LP). Η εξέταση των συστημάτων συνεχίζεται με την επίδραση της δομής του τοιχώματος στην πτώση πίεσης. Το φίλτρο με το μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων και τη χαμηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+LC) παρουσιάζει μία λιγότερο απότομη αύξηση της πτώσης πίεσης κατά τη διάρκεια της διήθησης κλίνης, αν συγκριθεί με το αντίστοιχο φίλτρο με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων και την ίδια ποσότητα καταλυτικής επικάλυψης (HPt+LP+LC). Η συμπεριφορά αυτή μπορεί να αποδοθεί στο υψηλότερο πορώδες του φίλτρου αυτού (45% το 1 ο και 4% το ο ), το οποίο μπορεί να συγκρατήσει μεγαλύτερα ποσά αιθάλης μέσα στο τοίχωμα, πριν ξεκινήσει η εναπόθεση της αιθάλης στα κανάλια εισόδου και δημιουργηθεί η σωματιδιακή στρώση, όπως ήδη παρουσιάστηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Ωστόσο, αφού ξεκινήσει η διήθηση της σωματιδιακής στρώσης, η πτώση πίεσης του φίλτρου με το υψηλό μέσο μέγεθος πόρων (HPt+HP+LC) υπερβαίνει την αντίστοιχη του φίλτρου με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων (HPt+LP+LC), με την ίδια φυσικά ποσότητα καταλυτικής επικάλυψης. Αυτό σημαίνει ότι η επίδραση του μπλοκαρίσματος των πόρων στην πτώση πίεσης του τοιχώματος δεν είναι μόνο συνάρτηση του πορώδους του τοιχώματος, αλλά εξαρτάται επίσης από την κατανομή του μεγέθους των πόρων. Τέλος, εξετάζεται η επίδραση της ποσότητας της καταλυτικής επικάλυψης στην πτώση πίεσης κατά τη φόρτιση. Η τάση που παρατηρείται είναι ότι αυξάνοντας την ποσότητα της καταλυτικής επικάλυψης στο φίλτρο με το μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων (HPt+HP+HC), αυξάνεται υπερβολικά και η πτώση πίεσης κατά τη διάρκεια της διήθησης κλίνης, σε σχέση με το αντίστοιχο φίλτρο με τη χαμηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+LC). Αυτό συμβαίνει γιατί η καταλυτική επικάλυψη μπλοκάρει κάποια περάσματα της ροής μέσω του τοιχώματος, με αποτέλεσμα να μειώνεται το πορώδες (από 45% στο 1 ο σε 4% στο ο ), και επομένως η διαπερατότητα του φορτισμένου τοιχώματος. Παρόλο που η μείωση του πορώδους του καθαρού φίλτρου δε μειώνεται αρκετά, το μπλοκάρισμα των κρίσιμων αυτών περασμάτων της ροής από τη συσσωρευμένη αιθάλη οδηγεί σε μία σημαντική αύξηση της πτώσης πίεσης σε αυτό το φίλτρο.

57 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 41 Υψηλή παροχή (3 kg/h) 6 HPt+HP+HC Πτώση πίεσης [mbar] HPt+HP+LC LPt+LP+LC HPt+LP+LC Bare LP Μάζα αιθάλης [g/l] Εικ. 3.11: Μετρημένη πτώση πίεσης συναρτήσει της μάζας αιθάλης για τα διάφορα φίλτρα που εξετάστηκαν, σε φόρτιση υπό υψηλή παροχή. Στην Εικ. 3.1 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά αποτελέσματα της μετρημένης πτώσης πίεσης για τα συστήματα αντιρρύπανσης που εξετάζονται για φόρτιση αιθάλης 4 g\l. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζονται επίσης οι αντίστοιχες τιμές πτώσης πίεσης σε συνθήκες καθαρού φίλτρου. Παρατηρώντας τις τιμές της πτώσης πίεσης, η συμπεριφορά της πτώσης πίεσης των καθαρών φίλτρων δε σχετίζεται με την αντίστοιχη των φορτισμένων. Όταν τα φίλτρα είναι καθαρά, τα φίλτρα με μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων παρουσιάζουν τη μικρότερη πτώση πίεσης, ακόμη και το αντίστοιχο με υψηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης, όπως παρουσιάστηκε και στην εργασία των Koltsakis et al. [15]. Όσον αφορά στα φίλτρα με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων, η παρουσία της καταλυτικής επικάλυψης αυξάνει ελαφρώς την πτώση πίεσης του καθαρού φίλτρου. Ωστόσο, ακόμη και στις συνθήκες υψηλής παροχής που παρουσιάζονται εδώ, οι διαφορές είναι δυσδιάκριτες, αφού είναι πολύ κοντά στην ακρίβεια της μέτρησης. Αν χρησιμοποιούνταν συνθήκες υψηλότερης παροχής η συνεισφορά της πτώση πίεσης του τοιχώματος θα ήταν σχετικά μικρότερη σε σχέση με την αντίστοιχη συνεισφορά των καναλιών, όπως παρουσιάστηκε στην παράγραφο 3... Στην περίπτωση αυτή οι συγκρίσεις της πτώσης πίεσης των καθαρών φίλτρων θα ήταν ακόμη πιο δύσκολές. Η πτώση πίεσης των φορτισμένων φίλτρων εξετάστηκε λεπτομερώς στην Εικ

58 4 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 3 p καθαρό (Υψηλή παροχή: 3 kg/h) μέτρηση p φορτισμένο 4g/l (5 kg/h) μέτρηση 65 5 Πτώση πίεσης [mbar] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC Εικ. 3.1: Σύγκριση μετρημένης πτώσης πίεσης καθαρού και φορτισμένου φίλτρου. Στη συνέχεια εξετάζεται η συμπεριφορά των φίλτρων όσον αφορά στην πτώση πίεσης κατά τη διάρκεια των πρωτοκόλλων φόρτισης 1 & υπό μικτές συνθήκες λειτουργίας, κυρίως όμως υπό χαμηλή παροχή καυσαερίου. Στην Εικ που ακολουθεί παρουσιάζονται οι καμπύλες πτώσης πίεσης συναρτήσει της μάζας αιθάλης που λήφθηκαν από τις δύο φορτίσεις για τα διάφορα συστήματα φίλτρων. Υπενθυμίζεται ότι στις φορτίσεις αυτές, κάθε μισή ώρα φόρτισης πραγματοποιείται υπό χαμηλή παροχή για 5 λεπτά και υψηλή για τα υπόλοιπα 5. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο οι καμπύλες στην Εικ. 3.13β δεν ξεκινούν από αρχική μάζα g/l, αλλά από περίπου.5 g/l, όση μάζα δηλαδή συσσωρεύτηκε στην αρχική φάση της φόρτισης υπό χαμηλή παροχή, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. 3.13α. Μετά την 1 η φόρτιση τα φίλτρα αναγεννήθηκαν μερικώς με λειτουργία του κινητήρα στο πλήρες φορτίο (θερμοκρασία καυσαερίου 58 C) για 15 min περίπου. Τα μερικώς αναγεννημένα φίλτρα ξανά φορτίστηκαν με το ίδιο πρωτόκολλο φόρτισης που χρησιμοποιήθηκε στα εντελώς καθαρά φίλτρα, όπως περιγράφεται στην παράγραφο Η πτώση πίεσης κατά τη διάρκεια της φόρτισης μετά τη μερική αναγέννηση είναι σε όλες τις περιπτώσεις αισθητά χαμηλότερη και σχεδόν όμοια για όλα τα φίλτρα. Αυτό συμβαίνει γιατί κατά τη διάρκεια της μερικής αναγέννησης η αιθάλη που έχει μπλοκάρει το τοίχωμα των φίλτρων έχει απομακρυνθεί πλήρως, ενώ το στρώμα αιθάλης πάνω από το τοίχωμα στα κανάλια εισόδου δεν έχει αναγεννηθεί πλήρως. Αυτό το στρώμα σωματιδιακής στρώσης δρα ως «τέλειο» φίλτρο, εμποδίζοντας έτσι την εισερχόμενη «φρέσκια» αιθάλη στη δεύτερη φόρτιση να διεισδύσει στο τοίχωμα. Αυτό το φαινόμενο υστέρησης της πτώσης πίεσης είναι σημαντικό για τον προσδιορισμό της μάζας αιθάλης πάνω στο όχημα, χρησιμοποιώντας τη μέτρηση της πτώσης πίεσης, όπως παρουσιάζεται σε ποικίλες εργασίες [7, 8, 9]. Υπάρχει κίνδυνος να υποεκτιμηθεί η μάζα αιθάλης για δεδομένη πτώση πίεσης. Το αποτέλεσμα είναι να ξεκινήσει υπό αρκετά μεγαλύτερη μάζα η αναγέννηση του φίλτρου, παράγοντας έτσι υψηλότερες θερμοκρασίες (από αυτές που μπορεί να αντέξει) στο εσωτερικό του φίλτρου λόγω της εξωθερμίας με κίνδυνο να καταστραφεί η δομική ακεραιότητά του.

59 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 43 Χαμηλή παροχή (1 kg/h) 1 HPt+HP+HC Πτώση πίεσης [mbar] HPt+HP+LC Bare LP HPt+LP+LC LPt+LP+LC Καμπύλες μετά τη μερική αναγέννηση Μάζα αιθάλης [g/l] (α) 6 3 Υψηλή παροχή (4 kg/h) HPt+HP+HC 5 Πτώση πίεσης [mbar] 15 1 HPt+HP+LC LPt+LP+LC HPt+LP+LC Bare LP Μάζα αιθάλης [g/l] Καμπύλες μετά τη μερική αναγέννηση (β) Εικ. 3.13: Φαινόμενο υστέρησης της πτώσης πίεσης: Μετρήσεις φόρτισης ξεκινώντας από εντελώς καθαρό φίλτρο και μετά από μερική αναγέννηση υπό: (α) χαμηλή και (β) υψηλή παροχή καυσαερίου. Η μελέτη της πτώσης πίεσης στη φόρτιση ολοκληρώνεται στην επόμενη παράγραφο με επαλήθευση του μοντέλου.

60 44 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 3.5. Επαλήθευση του μοντέλου πτώσης πίεσης στη φόρτιση Μία σημαντική παράμετρος του μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης είναι ο υπολογισμός της μάζας αιθάλης που συσσωρεύεται μέσα στο τοίχωμα του φίλτρου. Το μοντέλο πρέπει να είναι ικανό να υπολογίζει όχι μόνο την ποσότητα της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα, αλλά και τη χωροταξία του μέσα σε αυτό. Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά είναι δύσκολο να ληφθούν κατευθείαν από πειράματα. Ωστόσο, θα μπορούσαν να εκτιμηθούν έμμεσα με τη βοήθεια των μετρήσεων με βάση την πτώση πίεσης, όπως θα παρουσιαστεί σε αυτή την παράγραφο, και με βάση την απόδοση διήθησης, όπως παρουσιάστηκε σε προηγούμενη παράγραφο (3.4.), παρέχοντας ρεαλιστικά αποτελέσματα. Στον Πιν. 3.6 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι παράμετροι του μοντέλου πτώσης πίεσης οι οποίοι έχουν ίδια τιμή για όλα τα φίλτρα που εξετάστηκαν. Η Διαπερατότητα της σωματιδιακής στρώσης είναι ο όρος k της εξίσωσης (A.14) του Παραρτήματος Α, η p, οποία υπολογίζει τη διαπερατότητα της σωματιδιακής στρώσης συναρτήσει της θερμοκρασίας και της πίεσης. Στη συνέχεια με τη βοήθεια του όρου k p ( p) υπολογίζεται η πτώση πίεσης της σωματιδιακής στρώσης από την εξίσωση (3.1). Μεταβάλλοντας τον όρο αυτόν, αλλάζει και η κλίση της πτώσης πίεσης σε φόρτιση υπό σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Η τιμή που έχει προκύψει είναι η αντίστοιχη για την οποία η υπολογισμένη πτώση πίεσης έχει την ίδια κλίση με τη μετρημένη. Η διαπερατότητας της σωματιδιακής στρώσης είναι χαρακτηριστικό της αιθάλης, οπότε μπορεί να εξαρτάται από τον κινητήρα, ή ακόμη και από το σημείο λειτουργίας. Εξαρτάται επίσης από τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος του φίλτρου (πυκνότητα κελιών, ποσοστό της μετωπικής επιφάνειας που καταλαμβάνεται από συνδετικό τσιμέντο, πάχος τοιχώματος), όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Στις προσομοιώσεις που παρουσιάζονται στη συνέχεια, έχει σταθερή τιμή για όλα τα φίλτρα, αφού έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά υποστρώματος, και είναι ανεξάρτητη από το σημείο φόρτισης. Στην περίπτωση όπου υπάρχει DOC ανάντη του φίλτρου, η διαπερατότητα της αιθάλης επηρεάζεται γιατί η αιθάλη είναι πιο ξηρή μετά τον DOC. Η τιμή που χρησιμοποιείται στην περίπτωση αυτή στις προσομοιώσεις είναι αυξημένη στο 4.5 x Η Πυκνότητα της σωματιδιακής στρώσης θεωρείται σταθερή, ανεξάρτητη από το σημείο λειτουργίας. Στην πραγματικότητα η πυκνότητα μπορεί να μεταβάλλεται, όταν η αιθάλη συμπιεστεί μετά από μια ξαφνική αύξηση της παροχής του καυσαερίου. Η έλλειψη πειραματικών δεδομένων καθιστά δύσκολο τον προσδιορισμό της πυκνότητας της αιθάλης υπό τέτοιες συνθήκες λειτουργίας, παρόλο που έχουν γίνει προσπάθειες σε κλίμακα καναλιού και όχι φίλτρου στην εργασία των Koltsakis et. al [16]. Στην παράγραφο 3.., αναφέρονται οι όροι πτώσης πίεσης λόγω απότομης στένωσης / διεύρυνσης της ροής (εξισώσεις (3.8) και (3.9)). Η συνεισφορά των όρων αυτών είναι σχετικά μικρή και ανεξάρτητη από τη σωματιδιακή φόρτιση. Στην περίπτωση όμως όπου η παροχή του καυσαερίου είναι υψηλή, παίζουν μεγαλύτερο ρόλο στη συνολική πτώση πίεσης. Ο Συντελεστής διόρθωσης της πτώσης πίεσης λόγο απότομης στένωσης / διεύρυνσης χρησιμοποιείται για να μεγαλώσει τη συνεισφορά των όρων πτώσεις πίεσης αυτών, σε συνθήκες φόρτισης υψηλής παροχής.

61 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 45 Πιν. 3.6: Παράμετροι του μοντέλου πτώσης πίεσης, ανεξάρτητοι από τα φίλτρα. Παράμετρος Τιμή Διαπερατότητα σωματιδιακής στρώσης (Soot permeability [m ]) 3.5 x 1-13 Πυκνότητα σωματιδιακής στρώσης (Soot density [kg/m 3 ]) 1 Συντελεστής διόρθωσης της πτώσης πίεσης λόγο απότομης στένωσης / διεύρυνσης (Input-output pressure drop coefficient [-]) 5 Στον Πιν. 3.7 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι παράμετροι του μοντέλου πτώσης πίεσης που εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά της δομής του υποστρώματος του φίλτρου. Η Διαπερατότητα του καθαρού τοιχώματος είναι ο όρος k s, της εξίσωσης (A.18) του Παραρτήματος Α, η οποία υπολογίζει την εξάρτηση της διαπερατότητας του τοιχώματος από τη θερμοκρασία και την πίεση. Ο όρος αυτός είναι διαφορετικός για κάθε τύπο φίλτρου, όπως θα παρουσιαστεί στη συνεχεία και εξαρτάται από τη δομή του τοιχώματος. Η εκτίμηση της τιμής της παραμέτρου αυτής γίνεται με βάση την πτώση πίεσης του καθαρού φίλτρου. Η τιμή που έχει επιλεγεί είναι τέτοια ώστε να είναι σωστή η πρόβλεψη της πτώσης πίεσης στην αρχή της φόρτισης όπως παρουσιάζεται παρακάτω στην Εικ και στην Εικ Η τιμή που έχει εκτιμηθεί για τα φίλτρα MD- με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων και πορώδες είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του MD-HP, αφού και η πτώση πίεσης του καθαρού υποστρώματος είναι μεγαλύτερη, όπως παρουσιάστηκε στην Εικ Φυσικά, όσο μεγαλύτερη είναι η αρχική πτώση πίεσης, τόσο πιο σωστή είναι η εκτίμηση αυτής της παραμέτρου, επομένως το πρωτόκολλο της φόρτισης υπό υψηλή παροχή είναι αυτό που καθορίζει τη διαπερατότητα του καθαρού τοιχώματος (Εικ. 3.15). Στην περίπτωση όπου το τοίχωμα του φίλτρου έχει καθαρίσει από την αιθάλη λόγω αναγέννησης, τότε η πτώση πίεσης του τοιχώματος είναι ελάχιστη και ο όρος που συνεισφέρει περισσότερο στον υπολογισμό της είναι ο. Οπότε, στην αρχή της φόρτισης μετά από μερική αναγέννηση, όταν η μάζα της σωματιδιακής στρώσης είναι ελάχιστη, αν η πρόβλεψη της πτώσης πίεσης είναι σωστή, τότε επαληθεύεται και η τιμή του k, όπως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια στην Εικ s, Η Διαπερατότητα του φορτισμένου τοιχώματος δηλώνεται εξωτερικά στο μοντέλο, για να υπολογιστεί σωστά η επίδραση της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα στην απότομη αύξηση της πτώσης πίεσης όταν ξεκινά μία φόρτιση άδειου φίλτρου, σύμφωνα με την εξίσωση (A.18) του Παραρτήματος Α. Στην περίπτωση όπου δε χρησιμοποιείται το μοντέλο διήθησης, πρέπει να δηλωθεί και μία χωρητικότητα του τοιχώματος σε αιθάλη από το χρήστη. Όμως, στο μοντέλο της διήθησης η χωρητικότητα του τοιχώματος σε αιθάλη δε δηλώνεται από τον χρήστη εξωτερικά, αλλά υπολογίζεται έμμεσα, από τις συνθήκες της φόρτισης και από τη δομή του τοιχώματος, όπως παρουσιάστηκε στην παράγραφο Οπότε στο μοντέλο διήθησης η χωρητικότητα του υποστρώματος σε αιθάλη είναι μάζα αναφοράς, στην οποία το φορτισμένο υπόστρωμα έχει αντίστοιχη διαπερατότητα. Η τιμή αναφοράς της χωρητικότητας του υποστρώματος σε αιθάλη που χρησιμοποιείται είναι ίδια σε όλα τα φίλτρα. Αντιθέτως, η διαπερατότητα του φορτισμένου υποστρώματος είναι διαφορετική k s,

62 46 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ και εξαρτάται από τη δομή του τοιχώματος (πορώδες, μέσο μέγεθος πόρων), και από τη φόρτιση της καταλυτικής επικάλυψης. Η εκτίμηση της τιμής της διαπερατότητας του φορτισμένου υποστρώματος γίνεται με βάση τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης στα πρώτα λεπτά της φόρτισης του καθαρού φίλτρου. Αν συγκριθούν τα δύο φίλτρα με ίδια δομή τοιχώματος αλλά με διαφορετική φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης, π.χ. το HPt+HP+LC και το HPt+HP+HC, τότε το δεύτερο φίλτρο έχει μικρότερη διαπερατότητα φορτισμένου τοιχώματος γιατί έχει και μεγαλύτερη πτώση πίεσης στην αρχική φάση της φόρτισης, όπως φαίνεται στην Εικ και Εικ. 3.13α. Πιν. 3.7: Παράμετροι του μοντέλου πτώσης πίεσης, εξαρτώμενοι από τη δομή του τοιχώματος. Παράμετρος Φίλτρο Διαπερατότητα καθαρού τοιχώματος (Substrate permeability [m ]) Χωρητικότητα του υποστρώματος σε αιθάλη και αντίστοιχη διαπερατότητα (Substrate soot capacity [g/l] and respective permeability [m ]) Bare LP 4 x / 5.3 x 1-14 LPt+LP+LC & HPt+LP+LC 4 x /.4 x 1-14 HPt+HP+LC 7 x / 3. x 1-14 HPt+HP+HC 7 x / x 1-14 Η Εικ παρουσιάζει τη μετρημένη και υπολογισμένη πτώση πίεσης και απόδοση διήθησης δύο διαφορετικών φίλτρων υπό το ίδιο πειραματικό πρωτόκολλο. Στην πρώτη φάση της φόρτισης παρατηρείται η μη γραμμική αύξηση της πτώσης πίεσης στο φίλτρο, η οποία χαρακτηρίζεται από το γέμισμα των πόρων του τοιχώματος με αιθάλη και από τη μεταβολή της διαπερατότητας του τοιχώματος. Ανάλογα λοιπόν με τη δομή του τοιχώματος, το μοντέλο προβλέπει τόσο τη μετρημένη πτώση πίεσης, όσο και τη διαφορετική μάζα στο τοίχωμα. Με βάση το μοντέλο διήθησης που παρουσιάστηκε, η μάζα αιθάλης που συσσωρεύεται μέσα στο τοίχωμα του φίλτρου υψηλού πορώδους (Εικ. 3.14β), είναι περίπου διπλάσια σε σχέση με την αντίστοιχη μάζα του φίλτρου χαμηλού πορώδους (Εικ. 3.14α).

63 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 47 LP Χαμηλή παροχή (1 kg/h) 1 Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Πτώση πίεσης [mbar] Απόδοση διήθησης [%] Απόδοση διήθησης p Αιθάλη 5 Μάζα αιθάλης [g] 4 3 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) 1 HP Χαμηλή παροχή (1 kg/h) Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Πτώση πίεσης [mbar] Απόδοση διήθησης [%] Απόδοση διήθησης p Αιθάλη Μάζα αιθάλης [g] Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] 5 3 (β) Εικ. 3.14: Πρόβλεψη της πτώσης πίεσης, της απόδοσης διήθησης και της μάζας αιθάλης σε συνθήκες χαμηλής παροχής: (α) φίλτρο χαμηλού πορώδους και (β) φίλτρο υψηλού πορώδους. Η πτώση πίεσης στο φίλτρο υψηλού πορώδους υπερεκτιμάται, τουλάχιστον για την 1 η ώρα περίπου του πρωτοκόλλου της φόρτισης. Παρόμοια συμπεριφορά του μοντέλου πτώσης πίεσης για το φίλτρο υψηλού πορώδους παρατηρείται και στις συνθήκες υψηλής παροχής, όπως παρουσιάζεται στη συνέχεια.

64 48 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Για να γίνει η επαλήθευση του μοντέλου πτώσης πίεσης υπό ποικίλες συνθήκες παροχής, στην Εικ παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για αρκετά υψηλότερη παροχή καυσαερίου. Υπό αυτές τις συνθήκες προβλέπεται με ακρίβεια η μη γραμμική συμπεριφορά της πτώσης πίεσης κατά τη διάρκεια της διήθησης κλίνης καθώς γεμίζει το τοίχωμα. Στην Εικ. 3.15α μεταξύ των χρονικών στιγμών t=5 s με t=1 s γίνεται η μετάβαση από τη διήθηση κλίνης στην αντίστοιχη της σωματιδιακής στρώσης, όπως φαίνεται και από τη μάζα στο τοίχωμα που εξακολουθεί να αυξάνεται, παρόλο που έχει αρχίσει ο σχηματισμός της σωματιδιακής στρώσης. Στην ίδια χρονική περίοδο, η πτώση πίεσης (μετρημένη και υπολογισμένη), παρουσιάζει παρόμοια μη γραμμική συμπεριφορά. LP Υψηλή παροχή (3 kg/h) 5 Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός 7 6 Πτώση πίεσης [mbar] Απόδοση διήθησης [%] 15 1 p Αιθάλη Απόδοση διήθησης Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α)

65 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 49 HP Υψηλή παροχή (3 kg/h) 5 Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός 7 6 Πτώση πίεσης [mbar] Απόδοση διήθησης [%] 15 Απόδοση διήθησης 1 5 p Αιθάλη Αιθάλη τοιχώματος 5 4 Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] 5 3 (β) Εικ. 3.15: Πρόβλεψη της πτώσης πίεσης, της απόδοσης διήθησης και της μάζας αιθάλης σε συνθήκες υψηλής παροχής: (α) φίλτρο χαμηλού πορώδους και (β) φίλτρο υψηλού πορώδους. Στην Εικ παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα των φορτίσεων υπό αρχικές συνθήκες μετά από μερική αναγέννηση των φίλτρων. Υπενθυμίζεται ότι οι αρχικές συνθήκες όσον αφορά στην κατανομή της αιθάλης στο τοίχωμα και στο στρώμα της σωματιδιακής μάζας στα κανάλια εισόδου των φορτίσεων αυτών, έχουν προκύψει από τις αντίστοιχες τελικές των τριών διαδοχικών μερικών αναγεννήσεων στους 33, 4 και τέλος 58 C. Ως συνέπεια, η αρχική μάζα της αιθάλης δεν είναι μηδενική. Η αιθάλη μέσα στο τοίχωμα είναι σαφώς πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη της αρχικής φόρτισης της προηγούμενης εικόνας, σχεδόν μηδενική και όλη σχεδόν η αρχική μάζα αιθάλης βρίσκεται στη σωματιδιακή στρώση. Αυτό συμβαίνει γιατί κατά τη διάρκεια των αναγεννήσεων ευνοείται η αναγέννηση της αιθάλης του τοιχώματος, παρά της αντίστοιχης στη στρώση των καναλιών εισόδου. Το τοίχωμα θερμαίνεται επαρκώς, με αποτέλεσμα να καθαρίζει γρηγορότερα, αφού η αρχική μάζα της αιθάλης σε αυτό είναι μικρότερη (περίπου 1g) και επιπλέον, η αιθάλη του τοιχώματος είναι σε άμεση επαφή με την Pt. Το άδειο πλέον τοίχωμα έχει μικρότερη πτώση πίεσης, αφού η διαπερατότητά του είναι ίση περίπου με την αντίστοιχη του καθαρού, δηλαδή μεγαλύτερη. Το μοντέλο προβλέπει την πτώση πίεσης ικανοποιητικά και σε αυτή την περίπτωση, καθιστώντας το «εργαλείο» για τη μελέτη του φαινομένου της υστέρησης της πτώσης πίεσης που περιγράφθηκε στην προηγούμενη παράγραφο.

66 5 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ LP Φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση 6 1 Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός 5 Πτώση πίεσης [mbar] Αιθάλη 4 3 Μάζα αιθάλης [g] p 1 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) HP Φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση 8 1 Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Αιθάλη 7 Πτώση πίεσης [mbar] p Μάζα αιθάλης [g] Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 3.16: Πρόβλεψη της πτώσης πίεσης και της μάζας αιθάλης σε συνθήκες φόρτισης μετά από μερική αναγέννηση: (α) φίλτρο χαμηλού πορώδους και (β) φίλτρο υψηλού πορώδους. Τέλος στην Εικ παρουσιάζονται οι κατανομές της αιθάλης στο τοίχωμα και στη σωματιδιακή στρώση του φίλτρου με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων υπό ίδιες συνθήκες φόρτισης χαμηλής παροχής καυσαερίου. Η μόνη διαφορά είναι ότι στην Εικ. 3.17α το φίλτρο στην αρχή της φόρτισης είναι εντελώς καθαρό από αιθάλη (πρωτόκολλο ίδιο με

67 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 51 Εικ. 3.14α), ενώ η Εικ. 3.17β αφορά το αντίστοιχο με την Εικ. 3.16α, όπου το φίλτρο είναι υπό αρχικές συνθήκες μετά από μερική αναγέννηση. Ενώ στην πρώτη περίπτωση γεμίζει το τοίχωμα και μετά ακολουθεί ο σχηματισμός της σωματιδιακής στρώσης με την εναπόθεση της αιθάλης στα κανάλια εισόδου, στη δεύτερη φόρτιση η εναπομένουσα σωματιδιακή στρώση μετά από τη μερική αναγέννηση εμποδίζει το γέμισμα του τοιχώματος με φρέσκια αιθάλη. LP Χαμηλή παροχή (1 kg/h) Συγκέντρωση ή πυκνότητα αιθάλης [kg/m3] Σωματιδιακή στρώση t=91 t=45 Τοίχωμα t= t= t=4 t=5 t=6 t=7 t=8 t=9 t= Πάχος τοιχώματος [mm] (α)

68 5 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ LP Φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση Συγκέντρωση ή πυκνότητα αιθάλης [kg/m3] Σωματιδιακή στρώση t=55 t=37 Τοίχωμα t= t= t=4 t=5 t=6 t=7 t=8 t=9 t= Πάχος τοιχώματος [mm] (β) Εικ. 3.17: Κατανομές αιθάλης στο τοίχωμα και στη σωματιδιακή στρώση σε διάφορες χρονικές στιγμές υπό συνθήκες φόρτισης χαμηλής παροχής καυσαερίου για το φίλτρο με το μικρό μέγεθος πόρων σε: (α) φόρτιση καθαρού φίλτρου και (β) φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση. 3.6 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε πειραματική και υπολογιστική μελέτη διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης, όσον αφορά στη συμπεριφορά τους κατά τη φάση της φόρτισης. Η πειραματική μελέτη που διεξήχθη σε κινητήρα, παρείχε τις απαραίτητες πληροφορίες όσον αφορά στα χαρακτηριστικά απόδοσης διήθησης, πτώσης πίεσης και συνολικής μάζας αιθάλης που συσσωρεύεται στα φίλτρα. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν σε φίλτρα με μεγάλο και μικρό μέσο μέγεθος πόρων, με και χωρίς καταλυτική επικάλυψη, και με χαμηλή και υψηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης. Παρουσιάστηκε η θεωρία των μηχανισμών διήθησης κλίνης και επαληθεύτηκε αντίστοιχο μοντέλο υπολογισμού της απόδοσης διήθησης σε δύο φίλτρα με διαφορετική δομή τοιχώματος. Το φίλτρο με μεγάλο πορώδες επιδεικνύει αρχικά μικρότερη απόδοση διήθησης και αργεί περισσότερο να φτάσει στη μέγιστη απόδοσή της, λόγω της πιο «ανοικτής» δομής του τοιχώματός του, η οποία επιτρέπει μεγαλύτερη ποσότητα αιθάλης να διεισδύσει στο τοίχωμα. Επιπλέον, παρουσιάστηκε η ικανότητα του μοντέλου να υπολογίζει τη μάζα αιθάλης στο τοίχωμα ανάλογα με τις συνθήκες φόρτισης. Επίσης, παρουσιάστηκαν οι βασικοί παράγοντες που συνεισφέρουν στη συνολική πτώση πίεσης. Το αντίστοιχο μοντέλο πτώσης πίεσης επαληθεύτηκε σε φορτίσεις υπό υψηλή και χαμηλή παροχή, με αρχικά καθαρό φίλτρο και με φίλτρο υπό αρχική κατανομή αιθάλης μετά από μερική αναγέννηση. Στην τελευταία περίπτωση, το φαινόμενο της μικρότερης πτώσης πίεσης για δεδομένη μάζα αιθάλης, γνωστό και ως φαινόμενο υστέρησης, μπορεί να «ξεγελάσει» το σύστημα διάγνωσης της μάζας αιθάλης στο όχημα, ξεκινώντας

69 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ 53 ενδεχόμενη ενεργητική αναγέννηση σε ψηλότερη φόρτιση από αυτή που μπορεί να αντέξει το φίλτρο. Η σωστή πρόβλεψη της μάζας στο τοίχωμα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο κατά τη φάση της μερικής αναγέννησης, όπως θα αναλυθεί στο Κεφάλαιο 5.

70 54 ΔΙΗΘΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Gutfinger C. and Tardos G. I., Theoretical and Experimental Investigation on Granular Bed Dust Filters, Atmospheric Environment, Vol. 13, pp Otani Y. Kanaoka C. and Emi H., Experimental Study of Aerosol Filtration by the Granular Bed Over a Wide Range of Reynolds Numbers, Aerosol Science and Technology, Vol. 1, pp Ohara E., Mizuno Y., Miyairi Y., Mizutani T., Yuuki K., Noguchi Y., Hiramatsu T., Makino M., Takahashi A., Sakai H., Tanaka M., Martin A., Fujii S., Busch P., Toyoshima T., Ito T., Lappas I. and Vogt C. D., 7. Filtration Behavior of Diesel Particulate Filters (1). SAE Paper Haralampous Onoufrios A., Kandylas Ioannis P., Koltsakis Grigorios C., Samaras Zissis C., 4. Diesel Particulate Filter Pressure Drop. Part I: Modeling and Experimental Validation. Journal of Engine Research, Vol. 5, No., , JER Maunula T., Matilainen P., Louhelainen M., Juvonen P. and Kinnunen T., 7. Catalyzed Particulate Filters for Mobile Diesel Applications. SAE Paper Kuki T., Miyairi Y., Kasai Y., Miyazaki M. and Miwa S., 4. Study on Reliability of Wall- Flow Type Diesel Particulate Filter. SAE Paper Yamaguchi S, Fujii S., Kai R., Miyazaki M., Miyairi Y., Miwa S. and Busch P., 5. Design Optimization of Wall Flow Catalyzed Cordierite Particulate Filter for Heavy Duty Diesel. SAE Paper Mizuno Y., Miyairi Y., Kastube F., Ohara E., Takahashi A., Makino M., Mizutani T., Yuki K. and Kurachi H., 8. Study on Wall Pore Structure for Next Generation Diesel Particulate Filter. SAE Paper Mizutani T.,Kaneda A., Ichikawa S., Miyairi Y. Ohara E., Takahashi A., Yuuki K., Mastuda H., Kurachi H., Toyoshima T., Ito T., Lappas I., Vogt C. D., Tanaka M., Martin A., Fujii S. and Busch P., 7. Filtration Behavior of Diesel Particulate Filters (). SAE Paper Tao T., Cutler W. A., Voss K. and Wei Q., 3. New Catalyzed Cordierite Diesel Particulate Filters for Heavy Duty Engine Applications. SAE Paper Ohyama N., Nakanishi T. and Daido S., 6. New Concept Catalyzed DPF for Estimating Soot Loadings from Pressure Drop. SAE Paper Hashimoto S., Miyairi Y., Hamanaka T., Matsubara R., Harada T., and Miwa S.,. SiC and Cordierite Diesel Particulate Filters Designed for Low Pressure Drop and Catalyzed, Uncatalyzed Systems. SAE paper Ogunwumi S. B., Tepesch P. D., Chapman T., Warren C. J., Melscoet-Chauvel I. M. and Tennent D. L., 5. Aluminum Titanate Compositions for Diesel Particulate Filters. SAE paper Koltsakis G. C., Dardiotis C. K., Samaras Z. C. Maunula T., Kinnunen T. and Lundorf P., 9. Optimization Methodologies for DPF Substrate Catalyst Combinations. SAE paper Koltsakis G. C., Konstantinou A., Haralampous O. A., Samaras Z. C., 6. Measurement and Intra-Layer Modeling of Soot Density and Permeability in Wall-flow Filters. SAE paper

71 4 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 4.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό μελετάται η καταλυτική οξειδωτική δραστηριότητα των καταλυτικών φίλτρων και του οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα. Παρουσιάζονται αποτελέσματα μετρήσεων που έγιναν σε κινητήρα diesel με διάφορα συστήματα αντιρρύπανσης αποτελούμενα είτε από απλό CDPF, είτε από συνδυασμό DOC και CDPF. Τα αποτελέσματα αναφέρονται στην απόδοση μετατροπής των αερίων συστατικών του καυσαερίου, και συγκεκριμένα των CO, HC και ΝΟ. Στη βιβλιογραφία είναι λίγες οι ερευνητικές εργασίες που εξετάζουν το καταλυτικό φίλτρο ως συσκευή καταλυτικής οξείδωσης. Σε δημοσίευση των Haralampous and Koltsakis [1], παρουσιάστηκε το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται και στην παρούσα εργασία, στο οποίο γίνεται η σύζευξη φαινόμενων αντίδρασης και διάχυσης των χημικών ουσιών μεταξύ της αέριας φάσης και του τοιχώματος, υπό ισοθερμοκρασιακές συνθήκες. Το μοντέλο αυτό επεκτάθηκε για να λάβει υπόψη μεταβαλλόμενες μη ισοθερμοκρασιακές συνθήκες στις εργασίες [, 3, 4]. Αυτός ο τύπος της μοντελοποίησης προσφέρει την ευκαιρία της μελέτης της επίδρασης της διάχυσης στην αποδοτικότητα της αναγέννησης του CDPF. Η μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς μάζας και αντίδρασης σε καταλυτικό φίλτρο έχει παρουσιαστεί στην εργασία των Knoth et al. [5], στην οποία χρησιμοποιείται υπολογιστική ρευστομηχανική σταθερών συνθηκών. Η εργασία αυτή συγκρίνει επίσης την αποδοτικότητα ποικίλων διαμπερών αντιδραστήρων (flow-through) με την αντίστοιχη αντιδραστήρων ροής δια μέσω του τοιχώματος (wall-flow). Οι συγγραφείς δε συμπεριλαμβάνουν στις συγκρίσεις τους τα φαινόμενα μεταφοράς των χημικών ουσιών από το κανάλι εισόδου στο τοίχωμα υπό συνθήκες που ελέγχονται από την κινητική, για να απλοποιηθεί το μοντέλο και να μειωθεί το υπολογιστικό φορτίο. Τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι οι συσκευές ροής δια μέσω του τοιχώματος έχουν καλύτερη απόδοση μετατροπής των αερίων ρύπων από τις αντίστοιχες διαμπερούς ροής. Σε μία πιο πρόσφατη εργασία τους [6], αναγνωρίζεται ότι η παραπάνω απλοποίηση παράβλεψης της διάχυσης είναι έγκυρη μόνο σε υψηλές ταχύτητες ροής. Σε μια παλαιότερη εργασία των Miller and Li [7] είχε παρουσιαστεί μία πιο απλοποιημένη προσέγγιση μοντελοποίησης, στην οποία συμπεραίνεται ότι ο διαμπερής αντιδραστήρας είναι πιο αποδοτικός, εξαιτίας του αυξημένου χρόνου παραμονής της αντίδρασης. Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα σχήματα καταλυτικών αντιδράσεων οξείδωσης που λαμβάνουν χώρα στο CDPF και στον DOC, και επαληθεύονται τα αντίστοιχα μοντέλα προσομοίωσης τους. Ακολουθεί σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων με τις αντίστοιχες μετρήσεις, όσον αφορά στον υπολογισμό των συγκεντρώσεων στην έξοδο και στην απόδοση μετατροπής του κάθε ρύπου. Η ορθή πρόβλεψη της οξειδωτικής δραστηριότητας των αντιδραστήρων που εξετάζονται παίζει πρωταρχικό ρόλο στην αντίστοιχη πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους κατά την παθητική αναγέννηση, όπως θα παρουσιαστεί στο επόμενο κεφάλαιο. Τέλος, παρουσιάζεται μία καθαρά υπολογιστική μελέτη, στην οποία χρησιμοποιούνται τα παραπάνω μοντέλα για την προσομοίωση του CDPF ως οξειδωτικό καταλύτη. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα ενός διαμπερούς οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα (DOC), με ίδιες γεωμετρικές και χημικές ιδιότητες με το CDPF. Γίνονται

72 56 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ άμεσες συγκρίσεις μεταξύ των δύο συστημάτων υπό σταθερές και μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας, προσομοιώνοντας ψυχρή εκκίνηση κινητήρα, η οποία κυριαρχεί στον έλεγχο των εκπομπών ρύπων των οχημάτων. Η σύγκριση γίνεται με την ανάλυση των φαινομένων μεταφοράς μάζας και με τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στα υποστρώματα των δύο αυτών κατασκευαστικά διαφορετικών συσκευών αντιρρύπανσης. 4. Μετατροπή των αερίων ρύπων στο CDPF 4..1 Πειραματική διάταξη φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο ΕΕΘ, σε έναν κινητήρα diesel άμεσης έγχυσης χωρητικότητας 1.9l υπερτροφοδοτούμενο, με ανακυκλοφορία του καυσαερίου. Ο κινητήρας ήταν συνδεδεμένος με δυναμόμετρο δινορευμάτων. Ο αρχικός οξειδωτικός καταλύτης του κατασκευαστή του κινητήρα απομακρύνθηκε και στη θέση του τοποθετήθηκε το αντίστοιχο σύστημα αντιρρύπανσης. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων καταγράφονταν με συχνότητα 1Hz η πτώση πίεσης, η θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις των αερίων συστατικών του καυσαερίου ανάντη και κατάντη του αντίστοιχου συστήματος. Tα συστήματα αντιρρύπανσης που χρησιμοποιήθηκαν αποτελούνται είτε από απλό CDPF, είτε από συνδυασμό DOC και DPF, με και χωρίς καταλυτική επικάλυψη. Περισσότερα για τα συστήματα αντιρρύπανσης παρουσιάστηκαν στην παράγραφο Η πειραματική διάταξη περιγράφτηκε στην παράγραφο 3.3 καθώς επίσης παρουσιάζεται με ακρίβεια στο Παράρτημα C. 4.. Πρωτόκολλο μέτρησης Στον Πιν. 4.1 παρουσιάζεται το πρωτόκολλο μέτρησης θέρμανσης του κάθε φίλτρου. Σκοπός του πρωτοκόλλου αυτού είναι η εύρεση των κινητικών των αντιδράσεων οξείδωσης των αερίων χημικών ουσιών, και συγκεκριμένα των NO, CO και HC. Ο κινητήρας λειτουργεί υπό σταθερές στροφές (15 rpm). Το φορτίο του αυξάνεται περιοδικά και σταδιακά κάθε 1 min, αυξάνοντας έτσι την παροχή και τη θερμοκρασία του καυσαερίου, και προκαλώντας αντίστοιχη θέρμανση του υποστρώματος του φίλτρου. Με την αύξηση της θερμοκρασίας η καταλυτική επικάλυψη του υποστρώματος ενεργοποιείται, οξειδώνοντας έτσι τα αέρια συστατικά του καυσαερίου. Στη συνέχεια το φίλτρο ψύχεται σταδιακά, ακολουθώντας τα αντίστροφα βήματα της θέρμανσης. Οι συγκεντρώσεις των αερίων ουσιών κατά τη διάρκεια κάθε μέτρησης καταγράφονται με συχνότητα 1 Hz από τις ενδείξεις των αναλυτών καυσαερίου ανάντη και κατάντη του καταλυτικού φίλτρου. Πριν από το πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης τα φίλτρα καθαρίζονται από την αιθάλη εντελώς, θερμαίνοντάς τα σε φούρνο στους 65 C για 3 h, για να εξασφαλιστεί ότι είναι εντελώς καθαρά από αιθάλη, ακόμη και μέσα στο τοίχωμα ή στην περιφέρεια τους. Μετά τη θέρμανση τα φίλτρα υπόκεινται σε πεπιεσμένο αέρα από την έξοδο της ροής για να απομακρυνθούν οποιαδήποτε υπολείμματα στάχτης τα οποία δεν οξειδώνονται περαιτέρω. Χρησιμοποιείται επίσης ένα μη καταλυτικό φίλτρο ανάντη του καταλυτικού, για την κατακράτηση όλων των στερεών σωματιδίων του κινητήρα, έτσι ώστε να μην επηρεάζεται η αποδοτικότητα του δεύτερου από την παρουσία αιθάλης. Στην περίπτωση όπου το σύστημα αντιρρύπανσης αποτελείται από συνδυασμό DOC και φίλτρου, δεν τοποθετείται μη καταλυτικό φίλτρο ανάντη του συστήματος.

73 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 57 Πιν. 4.1: Πρωτόκολλα μέτρησης θέρμανσης των φίλτρων της NOTOX. Σημείο λειτουργίας (Στροφές [rpm]/ Φορτίο [N] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία καυσαερίου [ C] 15 / / / / / / / Στην Εικ. 4.1 που ακολουθεί παρουσιάζεται το ολοκληρωμένο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Στο πρωτόκολλο ψύξης που ακολουθεί αμέσως μετά τη θέρμανση, το φορτίο του κινητήρα μειώνεται σταδιακά με τα αντίστροφα βήματα. Η θερμοκρασία του καυσαερίου είναι λίγο υψηλότερη στην ψύξη, γιατί το υπόστρωμα του φίλτρου που βρίσκεται ανάντη του καταλυτικού έχει θερμανθεί αρκετά. Το αποτέλεσμα είναι το καυσαέριο που περνά μέσα από αυτό να ψύχεται με μικρότερο ρυθμό από τον αντίστοιχο της θέρμανσής του. Αυτό θα επηρεάσει τη συμπεριφορά της οξείδωσης των αερίων ρύπων στη θέρμανση και στην ψύξη, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια.

74 58 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 1 HPt+LP+LC Πρωτόκολλο θέρμανσης - ψύξης Συνθήκες λειτουργίας 45 Πτώση πίεσης [mbar] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Παροχή Θερμοκρασία p Θερμοκρασία [ C] Χρόνος [s] Εικ. 4.1: Συνθήκες λειτουργίας (παροχή θερμοκρασία εισόδου καυσαερίου και πτώση πίεσης του φίλτρου) στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Τέλος, στην Εικ. 4. παρουσιάζονται οι συγκεντρώσεις των αερίου ρύπων στην είσοδο του CDPF, στην περίπτωση όπου δεν υπάρχει οξειδωτικός καταλύτης ανάντη του φίλτρου. Όσον αφορά στις συγκεντρώσεις των CO και ΝΟ, οι τιμές τους μετρούνταν με ξεχωριστό αναλυτή στην είσοδο του φίλτρου σε κάθε πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Αντιθέτως, η συγκέντρωση των HC στην είσοδο έχει προκύψει από αντίστοιχη μέτρηση στο ίδιο πρωτόκολλο άλλη μέρα υπό τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, γιατί η μετρητική διάταξη ήταν εξοπλισμένη με έναν αναλυτή υδρογονανθράκων. Η μέτρηση επαναλήφθηκε, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η επαναληψιμότητα των ενδείξεων. Οι συγκεντρώσεις των CO και HC είναι σχεδόν σταθερές και ανεξάρτητες από τη θερμοκρασία του καυσαερίου. Μόνο στο τελευταίο σημείο της θέρμανσης αυξάνονται, γιατί ο κινητήρας λειτουργεί σχεδόν υπό πλήρες φορτίο. Αντιθέτως η συγκέντρωση του NO αυξάνεται μονότονα με την αύξηση του φορτίου και άρα της θερμοκρασίας του καυσαερίου. Αυτό συμβαίνει γιατί όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο του κινητήρα, τόσο αυξάνεται η θερμοκρασία καύσης στο θάλαμο, οπότε και τα NO x. Στην είσοδο θεωρείται ότι συμμετέχει και Η, με συγκέντρωση ίση με το 1/3 της αντίστοιχης του CO.

75 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 59 1 HPt+LP+LC Πρωτόκολλο θέρμανσης - ψύξης Συγκεντρώσεις εισόδου αερίων ρύπων Παροχή καυσαερίου [kg/h] Παροχή CO NO x NO Συγκέντρωση CO, NO, HC [ppm] HC Χρόνος [s] Εικ. 4.: Συγκεντρώσεις αερίων ρύπων στην είσοδο του CDPF στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης Οξείδωση των CO, HC και NO μετρήσεις Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα βελτιστοποίησης του συστήματος DOC+DPF είναι η καταλυτική οξειδωτική δραστηριότητα, η οποία πρέπει να μεγιστοποιηθεί για να αποφευχθούν υπερβολικές εκπομπές CO και HC κατά τη φάση της ψυχρής εκκίνησης. Επίσης θα πρέπει να μεγιστοποιηθεί η παραγωγή του NO από την οξείδωση του NO σε χαμηλή θερμοκρασία για την υποστήριξη της παθητικής αναγέννησης του φίλτρου. Στην παράγραφο αυτή, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην καταλυτική οξειδωτική δραστηριότητα των εξεταζόμενων συστημάτων αντιρρύπανσης, όπως προέκυψε από τα πρωτοκόλλα θέρμανσης ψύξης του κάθε φίλτρου. Η καταλυτική οξειδωτική δραστηριότητα χαρακτηρίζεται συχνά από τη θερμοκρασία που απαιτείται για να επιτευχθεί μία συγκεκριμένη απόδοση μετατροπής. Στη περίπτωση των συγκεκριμένων μετρήσεων, η χαρακτηριστική θερμοκρασία θεωρείται ότι είναι η θερμοκρασία εισόδου του DOC ή του CDPF (σε ένα σύστημα απλού CDPF). Όπως προαναφέρθηκε, το πρωτόκολλο της μέτρησης περιλαμβάνει βηματική αύξηση και στη συνέχεια μείωση της θερμοκρασίας. Η συσχέτιση της απόδοσης μετατροπής συναρτήσει της θερμοκρασίας εξαρτάται από την κατεύθυνση της αλλαγής της θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία ενεργοποίησης του καταλύτη (light-off temperature) κατά τη φάση της αύξησης της θερμοκρασίας (θέρμανση) είναι τυπικά μεγαλύτερη από την αντίστοιχη κατά τη ψύξη (cool-down) του καταλύτη. Αυτό συμβαίνει για τους εξής λόγους: Η θερμοκρασία εισόδου κατά τη διάρκεια της ψύξης είναι μεγαλύτερη λόγω του θερμότερου υποστρώματος του μη καταλυτικού φίλτρου ανάντη, όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο (Εικ. 4.1). Η θερμοκρασία του στερεού υποστρώματος του CDPF είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία εισόδου στη φάση της ψύξης, εξαιτίας της επίδρασης της θερμοχωρητικότητας του φίλτρου.

76 6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Για το χαρακτηρισμό της οξειδωτικής δραστηριότητας του κάθε συστήματος χρησιμοποιείται λοιπόν η θερμοκρασία ενεργοποίησης του κατά την ψύξη στην οποία έχει μετατραπεί το 5% του CO, το 7% των HC και το 5% του ΝΟ. Στην Εικ. 4.3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων της οξειδωτικής δραστηριότητας του κάθε συστήματος. Η βέλτιστη οξειδωτική δραστικότητα του CO μετριέται με το σύστημα DOC+LPt+LP+LC, η οποία είναι ωστόσο ελάχιστα καλύτερη από την αντίστοιχη του συστήματος DOC+Bare LP. Ίδια συμπεριφορά παρατηρείται και στην περίπτωση των HC. Τα συστήματα χωρίς DOC ανάντη παρουσιάζουν χειρότερη οξειδωτική καταλυτική δραστηριότητα. Ωστόσο, υπενθυμίζεται ότι ο τύπος της καταλυτικής επικάλυψης που χρησιμοποιήθηκε στον DOC δεν είναι όμοιος με αυτόν στα φίλτρα, και επιπλέον, τα φίλτρα είχαν υποστεί πιο έντονη γήρανση από τον DOC. Ωστόσο, αυτό το χαρακτηριστικό προσομοιώνει τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος σε πραγματικές εφαρμογές, όπου τα φίλτρα υπόκεινται σε υψηλότερες θερμοκρασίες κατά τη φάση της αναγέννησης (7-8 C) λόγω της οξείδωσης της αιθάλης, σε σχέση με τις αντίστοιχες θερμοκρασίες στον DOC (6-7 C) κατά την ίδια φάση λειτουργίας. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η σύγκριση της αποδοτικότητας των δύο φίλτρων με μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων. Και τα δύο έχουν την ίδια φόρτιση Pt αλλά σημαντικά διαφορετική φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης. Είναι φανερό ότι το φίλτρο με τη μικρότερη φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+LC) επιδεικνύει χειρότερη οξειδωτική δραστηριότητα, παρόλο που έχουν την ίδια ποσότητα Pt. Το αποτέλεσμα αυτό υπογραμμίζει τη σημασία της διασποράς της Pt, η οποία απαιτεί επαρκή ποσότητα καταλυτικής επικάλυψης. Για να αυξηθεί λοιπόν η οξειδωτική καταλυτική δραστηριότητα ενός CDPF αυξάνοντας την ποσότητα της Pt, η δομή του τοιχώματος θα πρέπει να είναι φτιαγμένη ώστε να συγκρατεί αντίστοιχα και υψηλότερα ποσά καταλυτικής επικάλυψης. Στην περίπτωση όπου η καταλυτική επικάλυψη είναι μικρή όπως στο φίλτρο (HPt+HP+LC), η αυξημένη ποσότητα της Pt δε χρησιμοποιείται αποδοτικά. 18 CO T5 (Ψύξη) μέτρηση Θερμοκρασία [ C] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC (α)

77 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 61 5 HC T7 (Ψύξη) μέτρηση 13 Θερμοκρασία [ C] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC (β) 3 NO T5 (Ψύξη) μέτρηση Θερμοκρασία [ C] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC (γ) Εικ. 4.3: Μετρημένα αποτελέσματα της καταλυτικής οξειδωτικής δραστηριότητας των διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης: (α) CO, (β) HC και (γ) NO Επαλήθευση των μοντέλων οξείδωσης Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζεται η επαλήθευση των μοντέλων καταλυτικής οξείδωσης των αερίων συστατικών του καυσαερίου με τη βοήθεια στοχευόμενων

78 6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ μετρήσεων. Όπως ήδη αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο (4..), σκοπός του πρωτοκόλλου θέρμανσης ψύξης είναι η εύρεση των κινητικών των αντιδράσεων οξείδωσης των αερίων χημικών ουσιών, και συγκεκριμένα των NO, CO και HC. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα των υπολογισμών των μοντέλων προσομοίωσης του DOC και του CDPF, στην πρόβλεψη των μετρημένων συγκεντρώσεων των αερίων ρύπων στην έξοδο του κάθε συστήματος και στην αντίστοιχη της καταλυτικής δραστηριότητας. Θα αναφερθούν οι εκφράσεις των αντιδράσεων που χρησιμοποιήθηκαν και οι τιμές των κινητικών τους. Τα μοντέλα προσομοίωσης της καταλυτικής οξειδωτικής δράσης του CDPF και του DOC παρουσιάζονται στη Παραρτήματα A και B αντίστοιχα. Στον Πιν. 4. που ακολουθεί παρουσιάζονται οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο τοίχωμα των CDPF. Η ονοματολογία των φίλτρων είναι η ίδια με το προηγούμενο κεφάλαιο, όπως παρουσιάστηκαν στον Πιν Εκτός από το όνομα του καθενός, έχει συμπεριληφθεί στον Πιν. 4. και η φόρτιση σε Pt και καταλυτική επικάλυψη. Γενικά ο ρυθμός μίας αντίδρασης εκφράζεται με τη βοήθεια του όρου Arrhenius, ο οποίος δίνεται από την παρακάτω έκφραση: k = A e E RT (4.1) Όπου A είναι ο προεκθετικός όρος ή παράγοντας συχνότητας και E είναι η ενέργεια ενεργοποίησης του κάθε ρυθμού αντίδρασης. Οι δύο αυτοί όροι ρυθμίζονται ανάλογα σε κάθε αντίδραση και σε κάθε φίλτρο. Ο πρώτος αντιπροσωπεύει τη δραστικότητα της πλατίνας της καταλυτικής επικάλυψης, ενώ ο δεύτερος το ενεργειακό φράγμα που θα πρέπει να ξεπεραστεί, ώστε να ξεκινήσει η αντίδραση. Στον Πιν. 4. ο πρώτος αριθμός αντιπροσωπεύει το A, ενώ ο δεύτερος το E. Περισσότερα για το σχήμα αντιδράσεων αναφέρονται στην παράγραφο 5. του παραρτήματος Α για το CDPF και στις αντίστοιχες 4.1 και 4. του παραρτήματος Β για τον DOC. Πιν. 4.: Αντιδράσεις στο τοίχωμα του CDPF, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. Καταλυτικό φίλτρο A/A Αντίδραση LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC 1g/cft, g/l 3g/cft, g/l 3g/cft, g/l 3g/cft, 4g/l 1. NO + 1 O NO 1.7 x x x x CO + 1 O CO 6 x x x x

79 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ H + O H O 6 x x x x C H + 4 O 4 x CO H O 14 9 x x x C3H 6 + O 4 x CO + 3 H O 11 9 x x x C H + 9 O 4 x CO + 4 H O 11 9 x x x C1H + O 4 x CO + 11 H O 11 9 x x x Στην Εικ. 4.4 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης του μοντέλου της καταλυτικής οξείδωσης του CO για το καθαρό CDPF με υψηλή φόρτιση Pt, χαμηλό πορώδες και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+LP+LC). Τα αποτελέσματα αφορούν τόσο στη φάση της θέρμανσης (light-off), όσο και στη φάση της ψύξης του φίλτρου (cool-down). Στην αρχή το καταλυτικό υπόστρωμα του φίλτρου είναι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι συγκεντρώσεις του CO στην είσοδο και στην έξοδο του φίλτρου είναι ίσες. Καθώς το καυσαέριο περνά από μέσα και θερμαίνει το υπόστρωμα του φίλτρου, ξεκινά η οξείδωση του CO, σύμφωνα με την αντίδραση, του Πιν. 4.. Μόλις η θερμοκρασία στην είσοδο του φίλτρου ξεπεράσει τους 15 C, ξεκινά η μείωση της συγκέντρωσης του CO, η οποία πρακτικά μηδενίζεται. Αντιθέτως, στην ψύξη του φίλτρου, η συγκέντρωση του CO στην έξοδο του φίλτρου αρχίζει να αυξάνεται, καθώς η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τους περίπου C. Ο υπολογισμός των αντίστοιχων συγκεντρώσεων στην έξοδο είναι σε συμφωνία στην ψύξη, ενώ στη θέρμανση η ακρίβεια δεν είναι τόσο μεγάλη. Η οξείδωση του Η λαμβάνεται υπόψη γιατί παράγει σημαντική εξωθερμία, η οποία δεν μπορεί να αμεληθεί. Η κινητική της οξείδωσης του Η (Εξίσωση 3 του Πιν. 4.) είναι άμεσα συνδεδεμένη με την αντίστοιχη της οξείδωσης του CO, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Dabill et al. [8].

80 64 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ HPt+LP+LC - CO Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Θερμοκρασία Συγκέντρωση CΟ: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός CO Είσοδος CO Έξοδος Συγκέντρωση CO [ppm] 5 Παροχή Χρόνος [s] 5 Εικ. 4.4: Μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις του CO στο CDPF με την υψηλή φόρτιση Pt, χαμηλό πορώδες και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που παρουσιάζονται για το συγκεκριμένο φίλτρο, καθώς και τα αντίστοιχα για τα υπόλοιπα, έχουν προκύψει από την τρισδιάστατη έκδοση του μοντέλου, ώστε να ληφθούν υπόψη οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Ενώ η ενέργεια ενεργοποίησης της κάθε αντίδρασης είναι σταθερή για όλα τα φίλτρα, ο προεκθετικός όρος είναι διαφορετικός και μοναδικός για κάθε φίλτρο. Η ρύθμισή του γίνεται ώστε να προσομοιωθεί σωστά η φάση της ψύξης του φίλτρου, για τους λόγους που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο. Στην Εικ. 4.5 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα προσομοίωσης, τα οποία αφορούν στη συγκέντρωση των HC. Η συμπεριφορά τους στην έξοδο του φίλτρου είναι παρόμοια με την αντίστοιχη του CO. Η μόνη διαφορά είναι ότι ακόμη και στη μέγιστη θερμοκρασία, δεν οξειδώνονται εντελώς. Για να προσομοιωθεί αυτή η συμπεριφορά, θεωρείται ότι οι HC του καυσαερίου είναι ένα μίγμα τεσσάρων διαφορετικών αερίων, το καθένα με διαφορετικό ποσοστό συνεισφοράς στους συνολικούς HC: Δεκάνιο (C 1 H ) 3%, Τολουένιο (C 7 H 8 ) 3%, Προπένιο (C 3 H 6 ) % και Προπάνιο (C 3 H 8 ) % των συνολικών HC εισόδου. Οι τρεις πρώτοι είναι «γρήγοροι» HC, οξειδώνονται δηλαδή στις θερμοκρασίες που μετρώνται, ενώ ο τελευταίος αντιπροσωπεύει τους «αργούς» HC και τους αντίστοιχους που ανιχνεύει ο αναλυτής λόγω της δειγματοληψίας τους. Δηλαδή, ο αναλυτής δείχνει περίπου 6-8ppm HC πριν αρχίσει η μέτρηση, οι οποίοι μπορεί να βρίσκονται είτε στο περιβάλλον, είτε προσροφημένοι στη θερμαινόμενη γραμμή δειγματοληψίας. Το ποσοστό του προπανίου (%) έχει προκύψει από την ελάχιστη συγκέντρωση των HC στη μέγιστη θερμοκρασία (τη χρονική στιγμή 47s). Αντίστοιχα, τα ποσοστά των υπόλοιπων HC έχουν προκύψει από αντίστοιχη προσομοίωση του DOC (που παρουσιάζεται στη συνέχεια) και άλλων CDPF, όπως παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 7. Οι τρεις «γρήγοροι» HC που χρησιμοποιούνται παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες κατά την προσρόφησή τους από το υπόστρωμα, όταν το τελευταίο έχει ζεόλιθο.

81 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 65 Στα συγκεκριμένα CDPF χρησιμοποιούνται καταχρηστικά τρεις γρήγοροι HC, γιατί η καταλυτική τους επικάλυψη δεν έχει ζεόλιθο. Αντί για 4, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μόνο δύο HC, οι «γρήγοροι» και οι «αργοί», όπως γίνεται στο κεφάλαιο 6. Η χρήση τους γίνεται για να είναι όσο το δυνατόν πιο συμβατό το σχήμα αντιδράσεων των CDPF με το αντίστοιχο του DOC. Περισσότερα για τη διάκριση των HC σε «αργούς» και «γρήγορους» παρουσιάζονται στην διδακτορική διατριβή του Κολτσάκη [9]. 45 HPt+LP+LC - HC Συγκέντρωση HC: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός 16 Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] HC Είσοδος Θερμοκρασία HC Έξοδος Συγκέντρωση HC [ppm] 5 Παροχή Χρόνος [s] Εικ. 4.5: Μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις των HC στο CDPF με την υψηλή φόρτιση Pt, χαμηλό πορώδες και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Στην Εικ. 4.6 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα προσομοίωσης, τα οποία αφορούν στη συγκέντρωση των ΝΟ. Και σε αυτή την περίπτωση οι συγκεντρώσεις εισόδου και εξόδου είναι σχεδόν ίδιες σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το πρωτόκολλο είναι σχεδιασμένο ώστε να μελετάται η αντίδραση οξείδωσης του NO προς NO και η αντίστροφή της (αντίδραση 1 του Πιν. 4.), σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος.

82 66 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ HPt+LP+LC - NO Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Παροχή NO Έξοδος Συγκέντρωση ΝΟ: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός NO Είσοδος Θερμοκρασία Συγκέντρωση NO [ppm] Χρόνος [s] Εικ. 4.6: Μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις του ΝΟ στο CDPF με την υψηλή φόρτιση Pt, χαμηλό πορώδες και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Στην Εικ. 4.7 παρουσιάζεται η σύγκριση μετρημένης υπολογισμένης απόδοσης μετατροπής των τριών αερίων στη φάση της ψύξης του ίδιου φίλτρου. Το μοντέλο προβλέπει επίσης τη μέγιστη απόδοση των HC, η οποία δε φτάνει το 1%, όπως στη περίπτωση του CO, λόγω της ύπαρξης «αργών» ΗC, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Όσον αφορά την απόδοση οξείδωσης του NO σε NO, δε ξεπερνά το 45% περίπου, αφού περιορίζεται από τις συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας της αντίστοιχης αντίδρασης πάνω από τους 3-35 C όπως αναφέρεται και στη διδακτορική διατριβή του Κανδύλα [1]. Αξίζει να αναφερθεί ότι παρατηρούνται και αρνητικές αποδόσεις του NO (παραγωγή NO) σε χαμηλές θερμοκρασίες του καταλυτικού φίλτρου. Αυτές οφείλονται πιθανώς σε αντίδραση του NO με το CO ή με τους υδρογονάνθρακες, η οποία παράγει NO, ή ακόμη και σε σφάλμα στη μέτρηση του NO από τους δύο αναλυτές. Παρόλο που οι μηχανισμοί των αντιδράσεων αυτών συμπεριλαμβάνονται στο μοντέλο, στη συγκεκριμένη μελέτη δε συμμετείχαν στο σχήμα αντιδράσεων, γιατί δεν είναι σημαντικές στην αναγέννηση του φίλτρου.

83 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 67 HPt+LP+LC Ψύξη 1 CO Απόδοση μετατροπής [%] HC NO Θερμοκρασία εισόδου [ C] Εικ. 4.7: Μετρημένη και υπολογισμένη απόδοση μετατροπής των CO, HC και NO του καθαρού CDPF με την υψηλή φόρτιση Pt, χαμηλό πορώδες και φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης, συναρτήσει της θερμοκρασίας εισόδου κατά τη λειτουργία ψύξης. Στον Πιν. 4.3 παρουσιάζονται οι αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής που λαμβάνουν χώρα στο μοντέλο του DOC. Οι διαφορές σε σχέση με το αντίστοιχο σχήμα των CDPF, όπως παρουσιάστηκε στον Πιν. 4., είναι οι εξής: Η αντίδραση οξείδωσης του ΝΟ προς ΝΟ δεν είναι μία και αμφίδρομη, άλλά δύο ξεχωριστές αντιδράσεις. Το σχήμα περιέχει τρεις αναγωγικές αντιδράσεις των «γρήγορων» HC με το ΝΟ, για να προβλέπεται η παραγωγή του ΝΟ σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια. Πιν. 4.3: Οξειδωτικές και αναγωγικές αντιδράσεις στο μοντέλο του DOC, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A Ενέργεια ενεργοποίησης E 1 1. NO + O NO 8.5 x NO NO + O 1 x

84 68 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 1 CO + O 3. CO 1.7 x O H O 1.7 x H 5. H + 4 O 3 CO 4 H O x C C3 H 6 + O 3 CO + 3 H O x H + 9 O 7 CO 4 H O x C C1 H + O 1 CO + 11 H O x C H + NO 3CO + 3H 9NO 1 x C7 H8 + 18NO 7CO + 4H + 18NO 1 x C1 H + 31NO 1CO + 11H + 31NO 1 x 1 11 Εκτός από τις παραπάνω αντιδράσεις, στο μοντέλο του DOC περιλαμβάνονται τρεις ακόμη, οι οποίες περιγράφουν την ιδιότητα του υποστρώματος του DOC να προσροφά H O και HC σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το υλικό που περιέχει η καταλυτική επικάλυψη του DOC και έχει την ιδιότητα αυτή, είναι ο ζεόλιθος. Στον Πιν. 4.4 παρουσιάζονται οι αντιδράσεις προσρόφησης εκρόφησης του μοντέλου του DOC. Σε αυτές τις αντιδράσεις πρέπει να ρυθμιστούν εκτός από το A και το E, ο συντελεστής έλξης β της εξίσωσης (B.38) ο ποίος εξαρτάται από την προσροφημένη ουσία. Επιπλέον πρέπει να δηλωθούν στο μοντέλο ο όρος W, ο οποίος είναι ο συνολικός όγκος όλων των μικροπόρων ανά όγκο DOC [m 3 /m 3 ] και ο όρος A, ο οποίος είναι μία χαρακτηριστική σταθερά της κατανομής του μεγέθους των πόρων [mol/j]. Οι τιμές που χρησιμοποιήθηκαν για τους δύο τελευταίους όρους είναι.3 και 5 x 1-1 αντίστοιχα. Η επιλογή τους έγινε με βάση προηγούμενη εμπειρία, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Pontikakis et al. [11].

85 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 69 Πιν. 4.4: Αντιδράσεις προσρόφησης εκρόφησης στο μοντέλο του DOC, προεκθετικοί όροι, ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους και συντελεστής έλξης. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A Ενέργεια ενεργοποίησης E Συντελεστής έλξης β 1. H () l O H O 4 x () l C7 H 8 C7 H 8 1 x () l C1H C1H 8 x Στην Εικ. 4.8 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τον DOC που εξετάζεται, και πιο συγκεκριμένα, οι μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις του CO. Το πρωτόκολλο μέτρησης είναι το ίδιο, όπως μπορεί να διαπιστωθεί από τις περίπου ίδιες θερμοκρασίες και συγκεντρώσεις εισόδου που μετρήθηκαν. Η κινητική της οξείδωσης του CO έχει ρυθμιστεί με βάση την ψύξη του καταλύτη. Στην περίπτωση αυτή, η διαφορά στην απόδοση μετατροπής στη θέρμανση και στην ψύξη είναι ακόμη μεγαλύτερη σε σχέση με την αντίστοιχη στο CDPF. Ο λόγος είναι εκτός από τη μεγαλύτερη θερμοκρασία του υποστρώματος στην ψύξη, το CO αργεί να οξειδωθεί στη θέρμανση λόγω της παρεμπόδισής του από τους προσροφημένους HC. Στην προσομοίωση του DOC που παρουσιάζεται δεν έχει συμπεριληφθεί ο αντίστοιχος όρος παρεμπόδισης, για λόγους συμβατότητας του σχήματος παρεμποδίσεων με το αντίστοιχο των CDPF. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο δεν προβλέπεται με μεγάλη ακρίβεια η οξείδωση του CO στη θέρμανση του DOC.

86 7 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ DOC - CO Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Θερμοκρασία CO Είσοδος Συγκέντρωση CO: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Παροχή CO Έξοδος Συγκέντρωση CO [ppm] Χρόνος [s] Εικ. 4.8: Μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις του CΟ στον DOC στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Στην Εικ. 4.9 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για τις συγκεντρώσεις των HC. Οι δύο HC που προσροφώνται στην αρχή της προσομοίωσης είναι το Δεκάνιο (C 1 H ) και το Τολουένιο (C 7 H 8 ), με ποσοστό συνεισφοράς από 3% ο καθένας. Το ποσοστό αυτό έχει προκύψει από το αντίστοιχο ποσοστό της συγκέντρωσης εξόδου στους συνολικούς HC, στα πρώτα λεπτά της προσομοίωσης, όταν το υπόστρωμα του DOC είναι ακόμη κρύο και προσροφά τους HC. Το υπόλοιπο 4%, έχει μοιρασθεί από στους άλλους δύο HC, στο Προπένιο (C 3 H 6 ) και στο Προπάνιο (C 3 H 8 ), από % ο καθένας, για το λόγο που αναφέρθηκε και στην εξήγηση της Εικ Η κορυφή που παρουσιάζεται περίπου τη χρονική στιγμή t= s, είναι λόγω της εκρόφησης των HC, όταν το υπόστρωμα του DOC θερμανθεί επαρκώς. Από εκεί και μετά ξεκινά η οξείδωση των HC, η οποία αδρανεί όταν πέσει η θερμοκρασία κάτω από τους 15 C και ξεκινήσει πάλι η προσρόφηση (t=8 s).

87 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 71 DOC - HC Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Θερμοκρασία Παροχή HC Είσοδος Συγκέντρωση HC Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Συγκέντρωση HC [ppm] 5 HC Έξοδος Χρόνος [s] Εικ. 4.9: Μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις των HC στον DOC στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης. Στην Εικ. 4.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του DOC,τα οποία αφορούν στη συγκέντρωση του ΝΟ. Η συμπεριφορά του είναι παρόμοια με την αντίστοιχη της καταλυτικής παγίδας, τουλάχιστον στις υψηλές θερμοκρασίες. Στις χαμηλές, λόγω των προσροφημένων HC, μέρος τους αντιδρά με το ΝΟ, παράγοντας ΝΟ, σύμφωνα με τις αναγωγικές αντιδράσεις 9, 1 και 11 του Πιν DOC - NO Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Συγκέντρωση NO: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Παροχή NO Έξοδος Θερμοκρασία NO Είσοδος Συγκέντρωση NO [ppm] Χρόνος [s] Εικ. 4.1: Μετρημένες και υπολογισμένες συγκεντρώσεις του NΟ στον DOC στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης.

88 7 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Τέλος, στην Εικ παρουσιάζεται σύγκριση μετρημένης και υπολογισμένης οξειδωτικής καταλυτικής δραστηριότητας για τα συστήματα αντιρρύπανσης που εξετάζονται. Όπως και στην Εικ. 4.3, τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν τη θερμοκρασίας εισόδου στην οποία έχει επιτευχθεί συγκεκριμένο ποσοστό μετατροπής του κάθε αερίου συστατικού του καυσαερίου. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων τα μοντέλα προβλέπουν ικανοποιητικά τη μετρημένη απόδοση μετατροπής στην αντίστοιχη θερμοκρασία, ιδιαίτερα των συστημάτων απλού CDPF. Η σωστή πρόβλεψη των κινητικών οξείδωσης των παραπάνω αερίων ρύπων από τα μοντέλα είναι απαραίτητη για την υπολογιστική μελέτη σύγκρισης του CDPF με τον DOC που ακολουθεί στην επόμενη παράγραφο, καθώς επίσης και για τη μελέτη της παθητικής αναγέννησης που μελετάται στο επόμενο κεφάλαιο. Οι καταλυτικές αντιδράσεις οξείδωσης παίζουν πρωταρχικό ρόλο στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς του κάθε συστήματος κατά τη διάρκεια της παθητικής αναγέννησης. 18 CO T5 (Ψύξη) μέτρηση CO T5 (Ψύξη) υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC (α)

89 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 73 5 HC T7 (Ψύξη) μέτρηση HC T7 (Ψύξη) υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC (β) Θερμοκρασία [ C] NO T5 (Ψύξη) μέτρηση NO T5 (Ψύξη) υπολογισμός DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC (γ) Εικ. 4.11: Σύγκριση μετρημένων και υπολογισμένων αποτελεσμάτων της καταλυτικής οξειδωτικής δραστηριότητας των διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης: (α) CO, (β) HC και (γ) NO.

90 74 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 4.3 Σύγκριση DOC CDPF Σε αυτή την παράγραφο θα χρησιμοποιηθούν τα μοντέλα του CDPF και του DOC για να αναλύσουν τα δύο συστήματα, όσον αφορά στην αποδοτικότητά τους στην οξείδωση των αερίων χημικών ουσιών του καυσαερίου. Για τους σκοπούς της μελέτης αυτής, το ενδιαφέρον θα περιοριστεί σε συστήματα όμοιων εξωτερικών διαστάσεων, ονομαστικής διαμέτρου 5.66 και μήκους 6. Και τα δύο συστήματα έχουν 3 cpsi και πάχος τοιχώματος 1 mils. Στον Πιν. 4.5 και Πιν. 4.6 παρουσιάζονται οι γεωμετρικές ιδιότητες του DOC και του CDPF αντίστοιχα της καθαρά υπολογιστικής μελέτης που ακολουθεί. Επιπλέον, τα δύο συστήματα υποτίθεται ότι περιέχουν ακριβώς το ίδιο ποσό καταλυτικού υλικού. Αυτό λαμβάνεται υπόψη στα μοντέλα χρησιμοποιώντας τις ίδιες κινητικές εκφράσεις του ρυθμού αντίδρασης και για τα δύο συστήματα όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Dardiotis et al. [1]. Πιν. 4.5: Γεωμετρικές και θερμοφυσικές ιδιότητες του DOC. Ιδιότητα Υλικό υποστρώματος Διάμετρος καταλύτη Μήκος καταλύτη Τιμή Κορδιερίτης.144 m.158 m Πυκνότητα κελιών 3 cells/in Πάχος τοιχώματος 3.48 x 1-4 m Πυκνότητα υποστρώματος 15 kg/m 3 Πιν. 4.6: Γεωμετρικές και θερμοφυσικές ιδιότητες του CDPF. Ιδιότητα Υλικό υποστρώματος Διάμετρος φίλτρου Μήκος φίλτρου Τιμή Κορδιερίτης.144 m.158 m Πυκνότητα κελιών 3 cells/in Πάχος τοιχώματος 3.48 x 1-4 m

91 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 75 Πυκνότητα υποστρώματος 15 kg/m 3 Διαπερατότητα υποστρώματος 5 x 1-13 m Η μελέτη που παρουσιάζεται πραγματοποιείται σε σταθερές και μεταβλητές συνθήκες λειτουργίας Σταθερές συνθήκες λειτουργίας Στην παράγραφο αυτή εξετάζεται η αποδοτικότητα της κάθε συσκευής σε σταθερές συνθήκες παροχής και θερμοκρασίας. Επίσης, η σύνθεση του καυσαερίου στην είσοδο είναι σταθερή, όπως παρουσιάζεται στον Πιν Πιν. 4.7: Συγκεντρώσεις των χημικών ουσιών του καυσαερίου που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις του κάθε συστήματος. Αέρια χημική ουσία Συγκέντρωση O 1% CO HC 1 ppm 9 ppm Η Εικ. 4.1α παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές του CO κατά μήκος του καναλιού του DOC στους 15 C και σε παροχή καυσαερίου.5 kg/s. Η συγκέντρωση πέφτει εκθετικά μέχρι να φτάσει σε μία τιμή ίση με ~4 ppm στην έξοδο του DOC, η οποία αντιστοιχεί σε ~6% απόδοση μετατροπής. Υπό αυτές τις συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, ο DOC λειτουργεί υπό συνθήκες που ελέγχονται από την κινητική του σχήματος των αντιδράσεων.

92 76 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Κατανομές CO - 15 C 1 1 CDPF είσοδος Συγκέντρωση CO [ppm] DOC CDPF έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] (α) Κατανομές CO - 5 C 1 1 Συγκέντρωση CO [ppm] DOC CDPF είσοδος CDPF έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] (β) Εικ. 4.1: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του καθαρού CDPF και του DOC στους (α) 15 C και (β) 5 C. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζεται η υπολογισμένη συγκέντρωση του CO κατά μήκος του καναλιού εισόδου και εξόδου του άδειου από αιθάλη CDPF, το οποίο λειτουργεί υπό τις ίδιες ακριβώς συνθήκες. Η συγκέντρωση του CO μειώνεται κατά μήκος του καναλιού εισόδου, ως αποτέλεσμα της μεταφοράς της χημικής ουσίας από την αξονική ροή προς την επιφάνεια του τοιχώματος όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση. Υπάρχουν δύο κύριοι λόγοι

93 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 77 που διαφοροποιούν τη συμπεριφορά του καναλιού εισόδου του CDPF, σε σχέση με την αντίστοιχη στο κανάλι του DOC. Πρώτον, επειδή τα μισά κελιά είναι ταπωμένα, η αξονική ταχύτητα στην είσοδο των καναλιών του CDPF είναι μεγαλύτερη από αυτήν στον DOC, όπως παρουσιάζεται στην Εικ Ο δεύτερος λόγος είναι οι συνθήκες ροής κατά μήκος των καναλιών του CDPF. Στο CDPF πραγματοποιείται μία συνεχείς μείωση της αξονικής ροής του καναλιού εισόδου, μέσω του τοιχώματος προς το κανάλι εξόδου, μέχρι η αξονική ταχύτητα πέσει στο μηδέν στο πίσω βύσμα, στο τέλος του καναλιού εισόδου. Καθώς η ροή περνά μέσα από το τοίχωμα, το CO οξειδώνεται και όταν η ροή εξέλθει από το τοίχωμα, αναμιγνύεται με την αξονική ροή του καναλιού εξόδου. Στην Εικ. 4.1α παρουσιάζεται επίσης το συνολικό αποτέλεσμα της συγκέντρωσης του CO κατά μήκος του καναλιού εξόδου. Αξίζει να σημειωθεί ότι η συγκέντρωση του CO του καυσαερίου που εξέρχεται από το CDPF είναι ίση με την αντίστοιχη συγκέντρωση στον DOC, υποδηλώνοντας ίδια δυναμική μετατροπής και για τις δύο συσκευές, με τις ίδιες διαστάσεις και φόρτιση καταλύτη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι και στα δύο συστήματα το φαινόμενο ελέγχεται από την κινητική της αντίδρασης. Κοντά στην έξοδο του CDPF η συγκέντρωση του CO στο κανάλι εξόδου είναι μεγαλύτερη, σε σχέση με την αντίστοιχη συγκέντρωση του καναλιού εισόδου στην ίδια αξονική θέση. Το «παράδοξο» αυτό φαινόμενο παρατηρείται εξαιτίας του γεγονότος ότι η συγκέντρωση του καναλιού εξόδου είναι στην πραγματικότητα αποτέλεσμα της ανάμιξης δύο ροών: της ροής κατά μήκος του καναλιού εξόδου, και της ροής που έρχεται μέσω του τοιχώματος από το κανάλι εισόδου. Κοντά στην έξοδο του φίλτρου, η ροή που εισέρχεται στο τοίχωμα από το κανάλι εισόδου έχει μικρή αξονική ταχύτητα, η οποία ευνοεί την τοπική μεταφορά μάζας από το κανάλι εισόδου προς το τοίχωμα με συνεπαγόμενη μείωση της τοπικής συγκέντρωσης του CO. Η προκύπτουσα χαμηλή συγκέντρωση μειώνεται περαιτέρω καθώς η ροή περνά μέσα από το καταλυτικό τοίχωμα. Ωστόσο, η συνεισφορά της ροής του τοιχώματος δεν είναι σημαντική, σε σχέση με την αξονική ροή κατά μήκος του καναλιού εξόδου, η οποία ρέει με υψηλότερη τοπική συγκέντρωση CO. Επομένως, η ανάμιξη των δύο ροών έχει ως αποτέλεσμα σε μία συγκέντρωση η οποία κυριαρχείται από την τοπικά υψηλότερη συγκέντρωση του καναλιού εξόδου Ταχύτητα ροής [m/s] DOC CDPF είσοδος CDPF έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm]

94 78 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Εικ. 4.13: Υπολογισμένες κατανομές ταχύτητας ροής κατά μήκος των καναλιών του καθαρού CDPF και του DOC στους 15 C. Στην Εικ. 4.1β παρουσιάζεται η προσομοίωση για την περίπτωση της υψηλότερης θερμοκρασίας (5 C). Εδώ ο DOC λειτουργεί υπό συνθήκες ελεγχόμενες από τη διάχυση (η αντίδραση περιορίζεται από τη μεταφορά της μάζας). Τέτοιες συνθήκες συναντώνται όταν ο ρυθμός της οξείδωσης είναι ραγδαίος και οι συγκεντρώσεις των χημικών ουσιών στην επιφάνεια του τοιχώματος είναι πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες στην αέρια φάση ( c s, j << cg, j ). Στην περίπτωση του CDPF οι ρυθμοί μεταφοράς μάζας μεταξύ του αερίου και του τοιχώματος είναι τόσο υψηλοί, ώστε μπορεί να υποτεθεί ότι ο περιορισμός της μεταφοράς μάζας μέσα στο τοίχωμα είναι αμελητέος, όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Haralampous and Koltsakis [ 1]. Εξαιτίας των υψηλών ρυθμών αντίδρασης σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες, η συγκέντρωση του CO είναι μηδέν καθώς η ροή εξέρχεται από το τοίχωμα, ακόμη και στην αρχή του καναλιού εξόδου. Αντιθέτως, η αέρια συγκέντρωση του CO στον DOC προσεγγίζει την τιμή μηδέν περίπου στο μέσο του καναλιού. Σε κάθε περίπτωση η προκύπτουσα απόδοση μετατροπής είναι πρακτικά 1%. 1 CO είσοδος χωρίς διάχυση 1 Συγκέντρωση CO [ppm] CO έξοδος με διάχυση CO έξοδος χωρίς διάχυση CO είσοδος με διάχυση Μήκος καναλιού [mm] Εικ. 4.14: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του καθαρού CDPF με και χωρίς διάχυση. Όπως προαναφέρθηκε, κάποιες από τις προγενέστερες προσπάθειες μοντελοποίησης των CDPF έχουν αγνοήσει τη μεταφορά μάζας από την αέρια ροή του καναλιού προς την επιφάνεια του τοιχώματος, όπως για π.χ. στις εργασίες [5, 13]. Στην εργασία των Knoth et al. [5], τα φαινόμενα αυτά αναγνωρίζονται, αλλά παραλείπονται, για να απλοποιηθεί η μαθηματική επίλυση. Για να διασαφηνιστεί η επίδραση των φαινομένων διάχυσης των χημικών ουσιών στη λειτουργία του CDPF, η Εικ παρουσιάσει τις υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης του CO στους 15 C, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες κατανομές για την περίπτωση μηδενικής διαχυτότητας τόσο στην αέρια φάση, όσο και στο τοίχωμα. Επειδή οι συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας στο CDPF είναι περιορισμένες από την κινητική, η συγκέντρωση του CO στην έξοδο είναι ίδια και για τις δύο προσομοιώσεις. Ωστόσο, η τοπική συγκέντρωση του CO είναι εντελώς διαφορετική κατά μήκος του καναλιού εξόδου. Οι τοπικές αυτές αποκλίσεις στη συγκέντρωση του CO έχουν μεγάλο

95 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 79 ενδιαφέρον υπό μεταβλητές και μη ισοθερμοκρασιακές συνθήκες λειτουργίας, όπως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια. Ο περιορισμός λόγω της μεταφοράς μάζας είναι πιο σημαντικός στην περίπτωση των HC, επειδή έχουν τη μικρότερη διαχυτότητα (D mol ) μεταξύ των χημικών ουσιών που εξετάζονται. Στην Εικ παρουσιάζεται η υπολογισμένη απόδοση μετατροπής των HC στη μέγιστη παροχή καυσαερίου για τον DOC της μελέτης. Σε αντίθεση με το CDPF, υπό αυτές τις συνθήκες υψηλής παροχής, είναι προφανές ότι η απόδοση μετατροπής των HC στον DOC περιορίζεται από τη μεταφορά μάζας σε υψηλές θερμοκρασίες. Απόδοση μετατροπής των HC [%] CDPF DOC Θερμοκρασία [ C] Εικ. 4.15: Απόδοση μετατροπής των HC συναρτήσει της θερμοκρασίας. Σταθερές συνθήκες λειτουργίας, υπό παροχή καυσαερίου.1 kg/s. Απόδοση μετατροπής του CO [%] Απόδοση μετατροπής των HC [%] Θερμοκρασία [ C] Θερμοκρασία [ C] DOC Καθαρό CDPF Παροχή καυσαερίου [kg/s] DOC Καθαρό CDPF Παροχή καυσαερίου [kg/s] Εικ. 4.16: Πεδία απόδοσης μετατροπής των CO και HC συναρτήσει της θερμοκρασίας και της παροχής. (--) καθαρό CDPF, και (-- --) DOC.

96 8 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Για μία πιο ολοκληρωμένη σύγκριση των δύο συστημάτων, η Εικ παρουσιάζει πεδία (χάρτες) μετατροπής των CO και HC που λήφθηκαν από τα δύο μοντέλα σε ένα εύρος ποικίλων συνδυασμών παροχής / θερμοκρασίας. Όσον αφορά στην απόδοση του CO, δεν υπάρχουν διαφορές μεταξύ των δύο συστημάτων, η οποία δεν περιορίζεται από τη μεταφορά μάζας στις συγκεκριμένες συνθήκες. Ωστόσο, όσον αφορά στην απόδοση των HC, το CDPF είναι ελαφρώς καλύτερο, σε σχέση με τον DOC, στις υψηλές παροχές Μεταβατικές συνθήκες θέρμανσης Στην προηγούμενη παράγραφο εξετάστηκαν τα χαρακτηριστικά μετατροπής και οι περιορισμοί της μεταφοράς μάζας υπό σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Σε αυτήν, εξετάζεται η αλληλεπίδραση των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας με τη μεταφορά μάζας και με τις χημικές αντιδράσεις, υπό μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Στις πραγματικές εφαρμογές των συστημάτων αντιρρύπανσης, η μελέτη της συμπεριφοράς των συστημάτων κατά την ψυχρή εκκίνηση είναι σημαντική, επειδή οι συνολικές αέριες εκπομπές ενός οχήματος εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την αποδοτικότητα του συστήματος αντιρρύπανσης κατά τη λειτουργία της φάσης αυτής. Για απλοποίηση της μεθόδου και για διευκόλυνση της κατανόησης, υποτίθεται μία απλοποιημένη δοκιμή, στην οποία ο αντιδραστήρας είναι αρχικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στη συνέχεια υπόκειται σε καυσαέριο σταθερής θερμοκρασίας, παροχής και σύνθεσης στην είσοδο ( C,. kg/s), προσομοιώνοντας καυσαέριο κινητήρα diesel. Αν δεν αναφέρεται ρητά, όλοι οι άλλοι παράμετροι της προσομοίωσης παραμένουν όμοιοι με αυτούς της προηγούμενης παραγράφου. Παρόλο που η θερμική μάζα των δύο συστημάτων είναι ίδια, το CDPF θερμαίνεται γρηγορότερα. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας του πολύ αποδοτικού μηχανισμού μετάδοσης θερμότητας της ροής δια μέσω του τοιχώματος. Στην Εικ παρουσιάζονται οι υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας για τα δύο συστήματα σε ποικίλες χρονικές στιγμές κατά τη θέρμανση. Θερμοκρασία τοιχώματος - DOC 5 Θερμοκρασία [ C] 15 1 t = 5 s t = 15 s t = 5 s t = 35 s t = 45 s t = 55 s Μήκος μονόλιθου [mm] (α)

97 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 81 Θερμοκρασία τοιχώματος - CDPF 5 Θερμοκρασία [ C] 15 1 t = 5 s t = 15 s t = 5 s t = 35 s t = 45 s t = 55 s Μήκος μονόλιθου [mm] (β) Εικ. 4.17: Κατανομές θερμοκρασίας τοιχώματος σε ποικίλες χρονικές στιγμές κατά τη φάση της θέρμανσης κατά μήκος του (α) DOC και (β) CDPF. Στην Εικ παρουσιάζονται οι υπολογισμένες κατανομές της συγκέντρωσης του CO τη χρονική στιγμή t=15 s. Σε αυτή τη χρονική στιγμή το CDPF είναι θερμότερο σε σχέση με τον DOC, σε όλο το μήκος του. Ωστόσο, η μετατροπή του CO στον DOC είναι μεγαλύτερη, όπως αποδεικνύεται από τη σύγκριση των συγκεντρώσεων του CO για τα δύο συστήματα στην έξοδό τους. Θα πρέπει εδώ να αναφερθεί ότι οι συγκεκριμένοι ρυθμοί αντιδράσεων που χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις είναι πολύ χαμηλοί σε θερμοκρασίες <15 C. Από την Εικ συμπεραίνεται ότι το «ενεργό μήκος» του DOC είναι ~ mm, σε σχέση με το αντίστοιχο του CDPF που είναι ~8 mm. Παρόλο το μικρότερο «ενεργό μήκος», ο DOC είναι πιο δραστικός.

98 8 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Κατανομές CO - t=15s 1 1 CO είσοδος CDPF Συγκέντρωση CO [ppm] CO έξοδος CDPF CO DOC Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 4.18: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του καθαρού CDPF και του DOC τη χρονική στιγμή t=15 s. Για την πληρέστερη κατανόηση του φαινομένου αυτού, στην Εικ παρουσιάζονται οι υπολογισμένες κατανομές της ροής των δύο συστημάτων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ενός εντελώς καθαρού φίλτρου, η κατανομή της ροής μέσω του τοιχώματος είναι ανομοιόμορφη κατά μήκος του καναλιού, ενώ σε ένα φορτισμένο φίλτρο η επίδραση της ανομοιομορφίας αυτής θα ήταν λιγότερο σημαντική, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Haralampous et al. [14]. Η παροχή του καυσαερίου στο κανάλι εισόδου του CDPF είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη παροχή στα κανάλια του DOC, για τα πρώτα 7 mm του αντιδραστήρα. Αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος παραμονής του καυσαερίου που ρέει στο θερμότερο μπροστινό μέρος των δύο συστημάτων είναι μεγαλύτερος στην περίπτωση του DOC. Ο μεγαλύτερος χρόνος παραμονής υπερισχύει στο μικρότερο «ενεργό μήκος», οδηγώντας έτσι τελικά σε μεγαλύτερη μετατροπή του CO στον DOC.

99 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 83 Κατανομές ροής - t=15s Ροή εισόδου CDPF Παροχή καυσαερίου [kg/s*m ] Ροή τοιχώματος CDPF Ροή εξόδου CDPF Ροή DOC Μήκος μονόλιθου [mm] Παροχή ροής τοιχώματος [kg/s*m ] Εικ. 4.19: Υπολογισμένες κατανομές παροχής καυσαερίου κατά μήκος των καναλιών του καθαρού CDPF και του DOC τη χρονική στιγμή t=15 s. Τη χρονική στιγμή t=35 s, και οι δύο αντιδραστήρες έχουν θερμανθεί επαρκώς, όπως φαίνεται στην Εικ Η απόδοση μετατροπής και στις δύο περιπτώσεις είναι >95%. Η Εικ. 4. παρουσιάζει τις κατανομές της συγκέντρωσης του CO υπό αυτές τις συνθήκες λειτουργίας, όπου παρατηρείται ότι στον DOC η μετατροπή ολοκληρώνεται σχεδόν στα πρώτα 4 mm του μήκους του. Κατανομές CO - t=35s 1 Συγκέντρωση CO [ppm] CO DOC CO είσοδος CDPF CO έξοδος CDPF Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 4.: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του καθαρού CDPF και του DOC τη χρονική στιγμή t=35 s.

100 84 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Στην Εικ. 4.1 παρουσιάζεται η χρονική εξέλιξη της απόδοσης μετατροπής του CO. Όπως εξηγήθηκε λεπτομερώς προηγουμένως, ο DOC επιδεικνύει καλύτερη απόδοση στην αρχική περίοδο της θέρμανσης. Ωστόσο, μετά από επαρκή θέρμανση (45 s από την αρχή), η απόδοση του CDPF γίνεται ίση ή και μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του DOC. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της μικρότερης αντίστασης μεταφοράς μάζας υπό θερμές συνθήκες, όπως εξηγήθηκε στα αποτελέσματα των σταθερών συνθηκών λειτουργίας στην Εικ Το πλεονέκτημα του CDPF είναι πιο έντονο στην περίπτωση της απόδοσης μετατροπής των HC, η οποία περιλαμβάνεται επίσης στην Εικ CO DOC 8 HC DOC Απόδοση μετατροπής [%] CO CDPF HC CDPF Χρόνος [s] Εικ. 4.1: Απόδοση μετατροπής των CO και HC συναρτήσει του χρόνου κατά τη μεταβατική λειτουργία. 4.4 Συμπεράσματα Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάστηκε η σύγκριση της οξειδωτικής δράσης διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης. Τα συστήματα που συνδυάζουν DOC και CDPF είναι πιο αποτελεσματικά στην μετατροπή των CO και HC, από τα αντίστοιχα μονού CDPF, για τις συγκεκριμένες συσκευές που εξετάστηκαν. Στη συνέχεια επαληθεύτηκαν τα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης της καταλυτικής οξείδωσης των DOC και CDPF για να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περαιτέρω καθαρά υπολογιστικές διερευνήσεις. Εξήχθησαν κινητικές οξείδωσης των αερίων ρύπων στις ποικίλες συσκευές αντιρρύπανσης, οι οποίες χρησιμοποιούνται στη μελέτη παθητικής αναγέννησης που ακολουθεί στο επόμενο κεφάλαιο. Ακολούθησε η σύγκριση των χαρακτηριστικών απόδοσης υπό σταθερές και μεταβλητές συνθήκες, ενός καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων diesel ροής δια μέσω του τοιχώματος και ενός διαμπερή οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα. Η σύγκριση βασίστηκε σε υπολογιστική βάση χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα που επαληθεύτηκαν σε αυτό το κεφάλαιο. Η απόδοση μετατροπής των αερίων χημικών ουσιών ενός CDPF εξαρτάται από θερμικά, χημικά, και φαινόμενα μεταφοράς μάζας, τα οποία λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα στο εσωτερικό του φίλτρου. Υπό σταθερές συνθήκες λειτουργίας, το CDPF έχει μεγαλύτερη

101 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 85 απόδοση μετατροπής σε σχέση με έναν αντίστοιχο DOC ίδιων διαστάσεων και καταλυτικής φόρτισης, υπό συνθήκες που ελέγχονται από τη διάχυση της μεταφοράς μάζας (υψηλή θερμοκρασία και παροχή καυσαερίου). Υπό συνθήκες που περιορίζονται από την κινητική των αντιδράσεων, και τα δύο συστήματα έχουν την ίδια απόδοση. Όσον αφορά στην προσομοίωση ψυχρής εκκίνησης, το CDPF αποδείχτηκε ότι είναι κατώτερο, σε σχέση με τον DOC, παρόλο που οι συνολικά μεγαλύτεροι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας οδηγούν σε γρηγορότερη θερμική απόκριση του CDPF. Το φαινόμενο αυτό αναλύθηκε και εξηγήθηκε λεπτομερώς, εξετάζοντας τις χρονικά μεταβλητές κατανομές θερμοκρασίας, παροχής καυσαερίου και συγκεντρώσεων των αέριων χημικών ουσιών στους δύο αντιδραστήρες.

102 86 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 4. Back-Diffusion Modeling of NO in Catalyzed Particulate Filters. Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 43, 4, pp Haralampous O. A., Koltsakis G. C., Samaras Z. C., Vogt C. D., Ohara E., Watanabe Y., Mizutani T., 4. Reaction and Diffusion Phenomena in Catalyzed Diesel Particulate Filters. SAE paper Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Koltsakis G. C., Samaras Z. C., 4. Study of Catalytic Regeneration Mechanisms in Diesel Particulate Filters using Coupled Reaction- Diffusion Modeling. SAE paper , SAE International Spring Fuels & Lubricants Meeting, Toulouse. 4 Koltsakis G. C., Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Samaras Z. C. Vogt C. D., Ohara E., Watanabe Y., Mizutani T., 5, Performance of Catalyzed Particulate Filters without Upstream Oxidation Catalyst. SAE paper Knoth J.F., Drochner A., Vogel J., Gieshoff J., Koegel M., Pfeifer M., Votsmeier M., 5. Transport and reaction in catalytic wall-flow filters. Cat. Today 15, p Votsmeier M., Gieshoff J., Kögel M., Pfeifer M., Knoth J. F., Drochner A., Vogel H., 7. Wall-Flow Filters with Wall-Integrated Oxidation Catalyst A Simulation Study. Applied Catalysis B: Environmental, 7, Miller R. K., Li C.G.,. Effect of Catalyst Support Structure on Conversion Efficiency. SAE paper Dabill D. W., Gentry S. J., Holland H. B. and Jones A., The oxidation of hydrogen and carbon monoxide mixtures over platinum. Journal of Catalysis, 53, Γρηγόριος Χ. Κολτσάκης, Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της μεταβατικής λειτουργίας τριοδικού καταλυτικού μετατροπέα. ιδακτορική ιατριβή Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 1 Ιωάννης Π. Κανδύλας, 3. Συνεισφορά των οξειδίων του αζώτου (NO x ) στην αναγέννηση παγίδων αιθάλης κινητήρων diesel. ιδακτορική ιατριβή Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 11 Pontikakis G. N., Koltsakis G. C., Stamatelos A. M., Noirot R., Agliany Y., Colas H., Versaevel Ph., Bourgeois C. 1. Experimental and Modeling Study on Zeolite Catalysts for Diesel Engines. Topics in Catalysis, 6/17, Nos. 1-4, pp Dardiotis C. K., Haralampous O. A., Koltsakis G.C., 6. Catalytic Oxidation Performance of Wall-Flow versus Flow-Through Monoliths for Diesel Emissions Control. Industrial and Engineering Chemistry Research, Vol. 45, No, p Konstandopoulos A. G., Kostoglou M., Skaperdas E., Papaioannou E., Zarvalis D., Kladopoulou E.,. Fundamental Studies of Diesel Particulate Filters: Transient Loading, Regeneration and Aging. SAE paper Haralampous O. A., Kandylas I. P., Koltsakis G.C., Samaras Z. C., 4. Diesel Particulate Filter Pressure Drop. Part I: Modeling and Experimental Validation. International Journal of Engine Research, Vol. 5, No, p. 149.

103 5 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 5.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό μελετάται η παθητική αναγέννηση διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης, τα οποία αποτελούνται από απλό CDPF, ή από συνδυασμό DOC και CDPF. Η αναγέννηση διεξάγεται υπό θερμοκρασίες που συναντώνται στα μέσα-υψηλά φορτία των κινητήρων diesel, στους 33 και 4 C. Η μελέτη περιλαμβάνει φίλτρα με διαφορετικές ιδιότητες υποστρωμάτων (μεγάλο και μικρό πορώδες και μέσο μέγεθος πόρων), ποσότητας Pt και καταλυτικής επικάλυψη. Η αποδοτικότητα της αναγέννησης όσον αφορά στη μάζα αιθάλης που καταναλώνεται και στη μεταβολή της πτώσης πίεσης εξετάζεται με τη βοήθεια στοχευμένων μετρήσεων σε κινητήρα diesel στο ΕΕΘ. Η μελέτη περιλαμβάνει την επαλήθευση και τη χρήση του μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της παθητικής αναγέννησης του καταλυτικού φίλτρου. Παρουσιάζεται και εξετάζεται παραμετρικά ο μηχανισμός της διάχυσης του NO από το καταλυτικό τοίχωμα όπου παράγεται στη σωματιδιακή στρώση, σε ποικίλες συνθήκες θερμοκρασίας, παροχής καυσαερίου, συγκέντρωσης ΝΟ x. Η παθητική αναγέννηση του CDPF, η οποία βασίζεται στην αντίδραση χαμηλής θερμοκρασίας μεταξύ άνθρακα και NO, είναι αρκετά γνωστή. Η θερμοκρασία ισορροπίας για τη διατήρηση της παθητικής αναγέννησης είναι συνήθως μεταξύ 6-45 C, η οποία εξαρτάται από τις συνθήκες και τη σχεδίαση του συστήματος DOC+CDPF. Ωστόσο, για να ολοκληρωθεί η παθητική αναγέννηση σε συνήθεις συνθήκες οδήγησης απαιτούνται πολύ υψηλές φορτίσεις Pt, καύσιμο χαμηλού θείου (<1 ppm) και θερμοκρασίες οι οποίες είναι κυρίως και για συγκεκριμένο χρόνο πάνω από τη θερμοκρασία ισορροπίας. Το σύστημα DOC+CDPF με υψηλή φόρτιση Pt είναι πολύ ακριβό, λόγω της τρέχουσας τιμής της Pt στην αγορά. Ο στόχος είναι η εφαρμογή παθητικής αναγέννησης στο θερμοκρασιακό εύρος των 3-4 C χρησιμοποιώντας λογικές φορτίσεις Pt. Επομένως, οι κύριοι στόχοι του συστήματος DOC+CDPF για τον έλεγχο των PM είναι η υιοθέτηση μερικής παθητικής αναγέννησης για να μεγαλώσουν τα διαστήματα μεταξύ δύο ενεργητικών αναγεννήσεων (το οποίο μεταφράζεται σε οικονομία καυσίμου), η αποδοτική οξείδωση των CO και HC κατά τη διάρκεια της ενεργητικής αναγέννησης, και η συγκράτηση της πτώσης πίεσης στο ελάχιστο. Για το λόγο αυτό, το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με μία ενδεικτική μελέτη βελτιστοποίησης της ποσότητας της Pt μεταξύ του DOC και του CDPF, καθιστώντας το μαθηματικό μοντέλο χρήσιμο εργαλείο στην ευρύτερη μελέτη σύνθετων συστημάτων αντιρρύπανσης. 5. Πειραματική διάταξη φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο ΕΕΘ, σε έναν κινητήρα diesel άμεσης έγχυσης χωρητικότητας 1.9 l υπερτροφοδοτούμενο, με ανακυκλοφορία του καυσαερίου. Ο κινητήρας ήταν συνδεδεμένος με δυναμόμετρο δινορευμάτων. Ο αρχικός οξειδωτικός καταλύτης του κατασκευαστή του κινητήρα απομακρύνθηκε και στη θέση του τοποθετήθηκε το αντίστοιχο σύστημα αντιρρύπανσης. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων καταγράφονταν με συχνότητα 1 Hz η πτώση πίεσης, η θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις των αερίων συστατικών του καυσαερίου ανάντη και κατάντη του αντίστοιχου συστήματος. Tα συστήματα αντιρρύπανσης που

104 88 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ χρησιμοποιήθηκαν αποτελούνται είτε από απλό CDPF, είτε από συνδυασμό DOC και DPF, με και χωρίς καταλυτική επικάλυψη. Περισσότερα για τα συστήματα αντιρρύπανσης παρουσιάστηκαν στην παράγραφο Η πειραματική διάταξη περιγράφτηκε στην παράγραφο 3.3 καθώς επίσης παρουσιάζεται με ακρίβεια στο Παράρτημα C. 5.3 Πρωτόκολλο μέτρησης Στη παράγραφο αυτή παρουσιάζεται το πρωτόκολλο μέτρησης των παθητικών αναγεννήσεων των συστημάτων αντιρρύπανσης που εξετάζονται. Μετά την πρώτη φόρτιση, η οποία παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3, όλα τα φίλτρα είχαν περίπου την ίδια αρχική μάζα, 9-11 g, δηλαδή περίπου 4 g/l. Στη συνέχεια διεξήχθησαν δύο αναγεννήσεις ίδιας διάρκειας, η 1 η στους 33 C ενώ η η στους 4 C. Στον Πιν. 5.1 που ακολουθεί παρουσιάζονται λεπτομερώς τα πρωτόκολλα των παθητικών αναγεννήσεων. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία στην είσοδο του φίλτρου, ρυθμίζονταν στα πρώτα λεπτά του σημείου αναγέννησης το φορτίο του κινητήρα. Πιν. 5.1:Πρωτόκολλο παθητικής αναγέννησης στους 33/4 C. Στροφές [rpm] Φορτίο [Ν] Παροχή καυσαερίου [Kg/h] Διάρκεια [min] Ρελαντί ~85/15 ~/ Ρελαντί 35 3 Στην Εικ. 5.1 παρουσιάζονται οι συνθήκες μέτρησης στη διάρκεια των πρωτοκόλλων αναγέννησης στους 33 C και στους 4 C, συναρτήσει του χρόνου. Οι συγκεκριμένες μετρήσεις είναι ενδεικτικές, και αναφέρονται στο φίλτρο με τα υψηλό μέσο μέγεθος πόρων και φόρτιση σε Pt, και με τη χαμηλή φόρτιση σε καταλυτική επικάλυψη. Πριν και μετά από το σημείο αναγέννησης, ο κινητήρας λειτουργούσε για 3 min στο καθένα από τα δύο σημεία του πρωτοκόλλου της φόρτισης που προηγήθηκε. Αυτό γίνεται για να υπάρχει ένδειξη της μετρημένης πτώσης πίεσης σε συγκεκριμένες και σταθερές συνθήκες, ώστε να συγκριθούν στη συνέχεια οι μεταβολές των τιμών αυτών μεταξύ των συστημάτων αντιρρύπανσης. Η παροχή του καυσαερίου είναι ελάχιστα μεγαλύτερη στη η αναγέννηση, όπως και οι εκπομπές αιθάλης του κινητήρα, οι οποίες θεωρούνται περίπου 7 g/h, σύμφωνα με

105 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 89 προηγούμενη εμπειρία, όπως παρουσιάζεται στη διδακτορική διατριβή του Κανδύλα [1]. Οι συγκεντρώσεις στην είσοδο του φίλτρου των αερίων ρύπων CO και ΝΟ καταγράφονται σε κάθε μέτρηση, όπως και οι αντίστοιχες της εξόδου, όπως θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Η συγκέντρωση των HC καταγράφεται εναλλάξ στην είσοδο και στην έξοδο του φίλτρου. Ως είσοδος χρησιμοποιείται η αντίστοιχη τιμή, η οποία είναι σταθερή για τα σημεία αναγέννησης, γύρω στα 5-6 ppm. Από προηγούμενες μετρήσεις έχει εξαχθεί και η συγκέντρωση του ΝΟ στην είσοδο, η οποία θεωρείται σταθερή στα σημεία της αναγέννησης και ίση με 5 ppm και 14 ppm στους 33 C και στους 4 C αντίστοιχα. Στην περίπτωση των συστημάτων με DOC ανάντη, οι παραπάνω συγκεντρώσεις των HC και του ΝΟ αναφέρονται φυσικά στην είσοδο του DOC. HPt+HP+LC Παθητική αναγέννηση στους 33 C Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Παροχή p NO είσοδος CO είσοδος Θερμοκρασία Συγκέντρωση CO, NO [ppm] Χρόνος [s] (α)

106 9 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ HPt+HP+LC Παθητική αναγέννηση στους 4 C Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] NO είσοδος p Παροχή Θερμοκρασία CO είσοδος Χρόνος [s] Συγκέντρωση CO, NO [ppm] (β) Εικ. 5.1: Συνθήκες μέτρησης στα πρωτόκολλα παθητικής αναγέννησης στους: (α) 33 C, και (β) 4 C. Πριν και μετά από κάθε μέτρηση, το φίλτρο ζυγίζονταν για να προσδιοριστεί η μάζα που συσσωρεύτηκε κατά τη διάρκεια του αντίστοιχου πρωτοκόλλου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων των παθητικών αναγεννήσεων. 5.4 Παθητική αναγέννηση Οξείδωση της αιθάλης από το ΝΟ Στην παράγραφο αυτή εξετάζεται ο μηχανισμός της οξείδωσης της αιθάλης με το NO, γιατί, όπως ήδη αναφέρθηκε στην παράγραφο..1 η βασική αρχή του συστήματος καταλύτη φίλτρου στηρίζεται στο γεγονός ότι το ΝΟ αντιδρά με την αιθάλη σε αρκετά χαμηλότερη θερμοκρασία από την αντίστοιχη της αντίδρασης με το Ο, όπως αναφέρεται στην εργασία των Cooper and Thoss []. Η καταλυτική αντίδραση των NO x έχει μελετηθεί από πολλούς ερευνητές [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 1, 13, 14]. Στις εργασίες των Uchisawa et al. [15, 16, 17] μελετήθηκαν οι αλληλεπιδράσεις των NO x, SO x, και Η Ο στο ρυθμό οξείδωσης της αιθάλης, παρουσία ποικίλων καταλυτών. Στην εργασία των Mul et al. [18] διερευνήθηκε η οξείδωση του μαύρου άνθρακα από αέρια διαφόρων συστάσεων σε καταλύτες CuO, Cr O 3 και Co 3 O 4. Ωστόσο, όλες οι παραπάνω εργασίες διαπραγματεύονται κυρίως μελέτες κινητικής αντιδράσεων σε εργαστηριακές διατάξεις με συνθετική αιθάλη ή συνθετικό καυσαέριο. Σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας είναι λίγες οι εργασίες που έχουν παρουσιαστεί, και σχετίζονται με την καταλυτική οξείδωση της αιθάλης από το NO. Στην εργασία των Kandylas et al. [ 19 ] παρουσιάζεται μία πειραματική και υπολογιστική μελέτη της διεργασίας αυτής. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε κινητήρα diesel, στην εξαγωγή

107 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 91 του οποίου ήταν τοποθετημένα ένας DOC και ένα DPF (μη καταλυτικό φίλτρο). Ο κινητήρας λειτουργούσε σε ποικίλα σταθερά σημεία λειτουργίας για αρκετό χρόνο, ώστε να επικρατούν σταθερές συνθήκες θερμοκρασίας και συγκεντρώσεων. Μετρήθηκε ο ρυθμός οξείδωσης της αιθάλης σε μεγάλο φάσμα θερμοκρασίας, παροχής καυσαερίου και συγκέντρωσης ΝΟ x στην είσοδο. Τα αποτελέσματα επιδεικνύουν ενέργεια ενεργοποίησης περίπου 4 J/mole, και επαληθεύονται με το μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης, το οποίο παρουσιάζεται σε επόμενη παράγραφο και χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία. Σε μία πιο πρόσφατη εργασία των Kalogirou et al. [] παρουσιάζονται μετρήσεις που έγιναν σε ισόθερμο αντιδραστήρα με αιθάλη από καυσαέριο κινητήρα diesel. Η αιθάλη συλλέχθηκε σε καταλυτικό υπόστρωμα μεταλλικού αφρού, και εξετάστηκε η αντιδραστικότητά της με το Ο και το ΝΟ με συνθετικό καυσαέριο και με αντίστοιχο από κινητήρα diesel. Η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης της αιθάλης με το ΝΟ μετρήθηκε περίπου στα 5 J/mole, ενώ η επιλεκτικότητα της ίδιας αντίδρασης προσδιορίστηκε στην τιμή 1.75, η οποία χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία, όπως θα παρουσιαστεί σε επόμενη παράγραφο (5.4.3) Αποτελέσματα μετρήσεων παθητικής αναγέννησης Στην παράγραφο αυτή μελετάται η προώθηση της αναγέννησης σε χαμηλή θερμοκρασία, γνωστή και ως παθητική αναγέννηση, για τα εξεταζόμενα συστήματα αντιρρύπανσης που εξετάστηκαν. Στην περίπτωση αυτή, η οξείδωση της αιθάλης οφείλεται κυρίως στο NO που παράγεται σε καταλύτες Pt, ο οποίος μπορεί να είναι επιστρωμένος είτε στον DOC είτε στο DPF [1, ]. Στην περίπτωση συστημάτων χωρίς DOC (σύστημα απλού CDPF), η αναγέννηση χαμηλής θερμοκρασίας ευνοείται λιγότερο, αφού το NO παράγεται κατάντη της σωματιδιακής φόρτισης, μέσα στο καταλυτικό τοίχωμα του φίλτρου. Η αξιολόγηση της παθητικής αναγέννησης των ποικίλων συστημάτων πραγματοποιήθηκε μετρώντας τη συνολική συσσώρευση μάζας αιθάλης και τη μεταβολή της πτώσης πίεσης στα δύο σταθερά σημεία λειτουργίας, αμέσως πριν και μετά το σημείο της αναγέννησης (Πιν. 5.1). Η θερμοκρασία του καυσαερίου κατά τη διάρκεια των αναγεννήσεων ήταν 33 και 4 C, ενώ οι εκπομπές αιθάλης του κινητήρα σε όλη τη διάρκεια της μέτρησης ήταν 3.5 g και στα δύο σημεία λειτουργίας του κινητήρα. Στην Εικ. 5. παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που λήφθηκαν για τα ποικίλα συστήματα αντιρρύπανσης. Η σύγκριση ξεκινά με τα τρία πρώτα συστήματα, στα οποία χρησιμοποιούνται φίλτρα μικρού μέσου μεγέθους πόρων. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα συστήματα με DOC ανάντη επιδεικνύουν καλύτερη αποδοτικότητα, σε σχέση με τα συστήματα απλού φίλτρου. Το NO που παράγεται στον DOC δρα απευθείας στη σωματιδιακή στρώση, ευνοώντας έτσι την οξείδωση της αιθάλης, ακόμη και από τη χαμηλή θερμοκρασία των 33 C. Το σύστημα DOC+Bare LP επιδεικνύει καλύτερη αποδοτικότητα στους 33 C σε σχέση με το φίλτρο HPt+LP+LC, στο οποίο το NO παράγεται κατάντη της σωματιδιακής στρώσης. Στην τελευταία περίπτωση, η αναγέννηση βασίζεται κυρίως σε φαινόμενα διάχυσης του NO, τα οποία φαίνεται να είναι πιο δραστικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες, στους 4 C, όπου η μάζα που καταναλώθηκε ήταν ίδια και για τα δύο συστήματα. Σύμφωνα με την παρούσα σύγκριση, το σύστημα DOC+LPt+LP+LC είναι καλύτερο σε συνθήκες παθητικής αναγέννησης από το αντίστοιχο DOC+Bare LP, κυρίως στους 4 C. Ωστόσο, δεν εξετάστηκαν όλα τα CDPF με τον DOC για να βρεθεί ένας βέλτιστος συνδυασμός συστήματος DOC+CDPF.

108 9 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 4 m Αναγέννηση 33 C μέτρηση m Αναγέννηση 4 C μέτρηση Μάζα Αιθάλης [g] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC -.7 HPt+HP+LC.3 HPt+HP+HC (α) Πτώση Πίεσης [mbar] DOC+Bare LP ( p) Αναγέννηση 33 C μέτρηση ( p) Αναγέννηση 4 C μέτρηση 1-36 DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC -16 συνθήκες αναφοράς: 4 Kg/h, 4 C 3 4 HPt+HP+LC -14 HPt+HP+HC (β) Εικ. 5.: Μετρημένη: (α) συσσώρευση μάζας αιθάλης και (β) μεταβολή της πτώσης πίεσης στην παθητική αναγέννηση σε δύο θερμοκρασίες των διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης. Στη συνέχεια αναλύονται τα αποτελέσματα των φίλτρων με το υψηλό μέσο μέγεθος πόρων. Σύμφωνα με αποτελέσματα υπολογισμών που παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν στις παραγράφους 3.4. και 3.5., τα φίλτρα αυτά συγκρατούν σχεδόν διπλάσια ποσότητα αιθάλης μέσα στο τοίχωμά τους σε σχέση με τα αντίστοιχα με μικρό μέγεθος πόρων. Θα

109 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 93 ήταν λοιπόν αναμενόμενο ότι η μεγαλύτερη μάζα αιθάλης κοντά στις ενεργές καταλυτικές θέσεις του τοιχώματος θα οδηγούσε σε υψηλότερους ρυθμούς αναγέννησης. Ωστόσο, δεν επιβεβαιώνεται κάτι τέτοιο από τις μετρήσεις. Τα δύο φίλτρα με το μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων επιδεικνύουν τη χειρότερη αποδοτικότητα στην παθητική αναγέννηση και στις δύο θερμοκρασίες. Αντιθέτως, είναι αξιοσημείωτη η μεγάλη μείωση της πτώσης πίεσης στο φίλτρο με το υψηλό μέσο μέγεθος πόρων και φόρτιση καταλυτικής επίστρωσης (HPt+HP+HC). Αυτή η συμπεριφορά οφείλεται στο γεγονός ότι το φίλτρο αυτό επιδεικνύει υψηλή ευαισθησία της πτώσης πίεσης συναρτήσει της μάζας αιθάλης του τοιχώματος. Δηλαδή, παρόλο που στην αναγέννηση των 4 C η πτώση πίεσης μειώνεται, η μάζα που συσσωρεύεται στο φίλτρο είναι θετική. Αυτό συμβαίνει γιατί καθώς η μάζα αιθάλης του καταλυτικού τοιχώματος αναγεννιέται, μειώνεται και η πτώση πίεσής του, ενώ ταυτόχρονα εναποτίθεται νέα αιθάλη στη σωματιδιακή στρώση αυξάνοντας τη συνολική μάζα αιθάλης στο φίλτρο. Η συμπεριφορά αυτή παρατηρείται και στο αντίστοιχο φίλτρο με τη μικρότερη φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+HP+LC), σε μικρότερο όμως βαθμό. Στην περίπτωση αυτή, η συνολική μάζα αιθάλης αυξάνεται κατά.3 g, ενώ η πτώση πίεσης μειώνεται κατά 14 mbar, στους 4 C. Η συμπεριφορά του φίλτρου αυτού επιβεβαιώνεται και υπολογιστικά, όπως θα παρουσιαστεί στην επόμενη παράγραφο Επαλήθευση του μοντέλου παθητικής αναγέννησης Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται οι παράμετροι του μοντέλου που πρέπει να ρυθμιστούν για να προσομοιωθεί η αναγέννηση του καταλυτικού φίλτρου στις χαμηλές θερμοκρασίες, καθώς επίσης και το σχήμα αντιδράσεων που χρησιμοποιήθηκε για όλα τα φίλτρα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων τα ποία επαληθεύουν το μοντέλο παθητικής αναγέννησης σε ποικίλες συνθήκες λειτουργίας. Σύμφωνα με τα παλαιότερα δημοσιευμένα μοντέλα, η σύσταση του καυσαερίου στο κανάλι εισόδου θεωρείται σταθερή και ίση με αυτή στην είσοδο του φίλτρου. Το κλασσικό μοντέλο του Bissett λαμβάνει υπόψη τη μεταβολή της συγκέντρωσης οξυγόνου στη σωματιδιακή στρώση λόγω αντίδρασης αλλά όχι λόγω της διάχυσης [3]. Στη συνέχεια παρουσιάζονται πρόσφατες προσπάθειες που έχουν γίνει από ποικίλους ερευνητές στην περιοχή της προσομοίωσης της αναγέννησης των καταλυτικών φίλτρων. Όλα αυτά τα μοντέλα βασίζονται στο χωρισμό της οξείδωσης της αιθάλης σε συνήθως δύο στρώματα (layers), στα οποία θεωρείται ότι σε κάθε ένα από αυτά λαμβάνουν χώρα διαφορετικές αντιδράσεις. Στην εργασία των Wurzenberger and Kutschi [4 ], μελετάται η προσομοίωση των φίλτρων σωματιδίων με ασύμμετρη σχεδίαση κελιών. Η προσομοίωσ η της καταλυτικής αναγέννησης πραγματοποιείται με χωρισμό της περιοχής της σωματιδιακής στρώσης καταλυτικού τοιχώματος σε τρία ενεργά στρώματα, και σε ένα στρώμα στάχτης, όπου δεν λαμβάνει χώρα καμία αντίδραση. Τα στρώματα στα οποία συμβαίνουν αντιδράσεις είναι το στρώμα της αιθάλης και το στρώμα του τοιχώματος στο οποίο βρίσκεται αιθάλη σε επαφή με τον καταλύτη. Στο στρώμα της αιθάλης λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις οξείδωσης της με το Ο και το ΝΟ και η αμφίδρομη οξείδωση του ΝΟ προς ΝΟ. Στο ο στρώμα λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις οξείδωσης των CO, HC και ΝΟ. Θεωρείται ότι δε συμβαίνει καμία αλληλεπίδραση μεταξύ των στρωμάτων, δεν υπάρχει δηλαδή μεταφορά των χημικών ουσιών από το ένα στρώμα στο άλλο. Μία παρόμοια προσέγγιση στη μοντελοποίηση της καταλυτικής οξείδωσης παρουσιάζεται στις εργασίες των Konstandopoulos et al. [5, 6]. Στην περίπτωση αυτή οι αντιδράσεις

110 94 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ της αιθάλης με το Ο και το ΝΟ λαμβάνουν χώρα στο αντίστοιχο στρώμα όπου δεν υπάρχει καταλύτης. Σε άλλο στρώμα στο οποίο η αιθάλη είναι σε επαφή με τον καταλύτη, κοντά στο καταλυτικό τοίχωμα, εκτός από τις δύο παραπάνω αντιδράσεις, λαμβάνουν χώρα η καταλυτική οξείδωση της αιθάλης με το Ο και οι οξειδώσεις των CO, HC και ΝΟ. Στο καταλυτικό στρώμα, το σχήμα των κινητικών διασπάται σε αντιδράσεις που συμβαίνουν σε τρία υποστρώματα, για να εξαχθεί αναλυτική λύση, χωρίς να συνυπολογίζονται φυσικά φαινόμενα διάχυσης από το αέριο στα στρώματα. Στην εργασία των Mohammed et al. [7], χρησιμοποιείται μία παρόμοια προσέγγιση. Το Ο που φτάνει στο στρώμα της σωματιδιακής στρώσης αντιδρά κατά ένα τμήμα με τον άνθρακα μη καταλυτικά και κατά το υπόλοιπο τμήμα καταλυτικά. Φυσικά συνυπολογίζεται στο σχήμα αντιδράσεων του στρώματος αυτού και η αντίστοιχη αντίδραση του NO με τον άνθρακα. Παρόλα αυτά, μοριακή διάχυση μπορεί να εμφανιστεί μέσα στο φίλτρο, λόγω των κλίσεων συγκέντρωσης που αναπτύσσονται μεταξύ του καυσαερίου στη σωματιδιακή στρώση, στο τοίχωμα και στα κανάλια εισόδου και εξόδου. Στις καταλυτικές παγίδες, το ΝΟ καταναλώνεται στη σωματιδιακή στρώση και παράγεται στο καταλυτικά επικαλυμμένο τοίχωμα. Αντιστρόφως το ΝΟ παράγεται στη σωματιδιακή στρώση και καταναλώνεται στο τοίχωμα. Ταυτόχρονα, το Ο αντιδρά στη σωματιδιακή στρώση λόγω της θερμικής οξείδωσης και στο τοίχωμα, λόγω της οξείδωσης του ΝΟ. Στη διάρκεια όλων αυτών των αντιδράσεων εμφανίζονται κλίσεις συγκεντρώσεων των ΝΟ, ΝΟ και Ο μεταξύ της ροής στα κανάλια, της σωματιδιακής στρώσης και του τοιχώματος. Οι κλίσεις αυτές είναι η κινητήρια δύναμη για τη διαστρωματική (intra-layer) μοριακή διάχυση. Στο μοντέλο περιλαμβάνεται λοιπόν η συνεισφορά της διάχυσης, και όπως θα παρουσιαστεί σε αυτήν και στην επόμενη παράγραφο, είναι σημαντική στην εξέλιξη της αναγέννησης στις χαμηλές θερμοκρασίες, όπως παρουσιάστηκε στις εργασίες των Haralampous et al. [8, 9]. Το μοριακό ισοζύγιο των διαφόρων χημικών ουσιών μέσα στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα, περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση [3]: y j y j f x v w D j f x = c j, k R x x x cm k k (5.1) Ο πρώτος όρος στο αριστερό μέλος της Εξ. (5.1) εκφράζει τη μοριακή μεταφορά λόγω της ροής, η οποία εξαρτάται γραμμικά από την ταχύτητα της ροής και την τοπική συγκέντρωση. Ο δεύτερος όρος εκφράζει τη μοριακή διάχυση και εξαρτάται από την κλίση της συγκέντρωσης. Έχει αρνητικό πρόσημο γιατί μεταφέρει μόρια από την περιοχή υψηλής στην περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης. Τέλος ο όρος στο δεξί μέλος της εξίσωσης εκφράζει τον τοπικό ρυθμό παραγωγής ή κατανάλωσης μιας χημικής ουσίας σύμφωνα με το άθροισμα των ρυθμών αντίδρασης. Αμελώντας το δεύτερο όρο και θεωρώντας μόνο την αντίδραση οξείδωσης αιθάλης με οξυγόνο προκύπτει το κλασσικό μοντέλο Bissett. Η ισοδύναμη διαχυτότητα υπολογίζεται με βάση το μοντέλο μεικτής διάχυσης (mixed diffusion model) [31 ] που συνδυάζει τη συμβατική μοριακή διάχυση και τη διάχυση Knudsen που εμφανίζεται στα πορώδη υλικά:

111 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 95 1 = τ ε 1 D + D j p mol, j Dknud, j 1 (5.) Η διαχυτότητα Knudsen δίνεται από τη σχέση: D knud, j = d p 3 8RT πm j (5.3) Οι τιμές του πορώδους ε p, της συστροφής (tortuosity) τ και του μέσου μεγέθους των πόρων βασίζονται στις μικροδομικές (micro-structural) ιδιότητες της σωματιδιακής d p στρώσης και του τοιχώματος. Οι τιμές του πορώδους και του μέσου μεγέθους των πόρων παρουσιάστηκαν στον Πιν. 3.1 για τα φίλτρα που εξετάζονται. Τυπικές τιμές της συστροφής που έχουν προταθεί, ποικίλουν από 1 έως 1 [3, 33]. Στις προσομοιώσεις που παρουσιάζονται στη συνέχεια, όπως και σε όλες τις προσομοιώσεις της διατριβής, η τιμή της συστροφής είναι ίση με 3. Περισσότερα για το μοντέλο διάχυσης παρουσιάζονται στην παράγραφο 5.4 του παραρτήματος Α. Το σχήμα αντιδράσεων που χρησιμοποιείται για τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα στο τοίχωμα των φίλτρων και στα κανάλια του DOC, παρουσιάστηκε στον Πιν. 4. και στους Πιν. 4.3 και Πιν. 4.4 αντίστοιχα. Στον Πιν. 5. που ακολουθεί παρουσιάζεται το σχήμα αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στη σωματιδιακή στρώση, καθώς και ο προεκθετικός όρος A και η ενέργεια ενεργοποίησης E του κάθε ρυθμού αντίδρασης. Περισσότερα για το σχήμα αντιδράσεων της αιθάλης αναφέρονται στην παράγραφο 5.1 του παραρτήματος Α. Πιν. 5.: Αντιδράσεις αιθάλης στα CDPF, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A Ενέργεια ενεργοποίησης E C + α O 1. 1 α CO + ( 1 α )CO C + α NO. α NO+ ( α ) CO + ( α 1) CO. 15 x C + O + NO CO + NO ) x ( ) ( 3.

112 96 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Η επιλεκτικότητα α των αντιδράσεων 1 και του Πιν. 5. έχει τιμή.85 και 1.75 αντίστοιχα. Στις προσομοιώσεις του κεφαλαίου αυτού η μόνη αντίδραση που συνεισφέρει στην αναγέννηση από τις τρεις παραπάνω αντιδράσεις, είναι μόνο η, η καύση του άνθρακα από το ΝΟ. Η ενέργεια ενεργοποίησής της έχει προκύψει από την εργασία των Kandylas et al. [19]. Ο προεκθετικός όρος έχει προκύψει από τις προσομοιώσεις, όπως θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Οι αντιδράσεις 1 και 3, συνεισφέρουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από αυτές που εξετάζονται στο παρόν κεφάλαιο, όπου λαμβάνει χώρα θερμική οξείδωση του άνθρακα από το Ο. Περισσότερα παρουσιάζονται στα κεφάλαια 6 και 7. Στην Εικ. 5.3 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της πτώσης πίεσης και της μάζας αιθάλης, όσον αφορά στο φίλτρο με την υψηλή φόρτιση Pt και το χαμηλό μέσο μέγεθος πόρων (HPt+LP+LC). Τα αποτελέσματα αναφέρονται στις δύο παθητικές αναγεννήσεις υπό σταθερή θερμοκρασία στους 33 C (Εικ. 5.3α) και στους 4 C (Εικ. 5.3β). Η σωστή πρόβλεψη της πτώσης πίεσης στην αρχική φάση του πρωτοκόλλου της πρώτης αναγέννησης είναι αποτέλεσμα της επίσης σωστής πρόβλεψης της μάζας και της πτώσης πίεσης στο πρωτόκολλο φόρτισης που προηγήθηκε και εξετάστηκε στην παράγραφο Πρακτικά στο φίλτρο συσσωρεύεται αιθάλη στους 33 C, ενώ στους 4 C η διαφορά μάζας είναι οριακά αρνητική (-.3 g). Επίσης ο υπολογισμός προβλέπει μείωση της πτώσης πίεσης κατά 1 mbar επίσης στους 4 C. Βέβαια, σύμφωνα με τη μέτρηση, η διαφορά μάζας ήταν λίγο μεγαλύτερη (-.7 g) και η διαφορά της πτώσης πίεσης και αυτή αρνητική (-16 mbar). Το συμπέρασμα είναι ότι το μοντέλο προβλέπει τόσο την ποιοτική όσο και την ποσοτική μεταβολή της μάζας και της διαφοράς της πτώσης πίεσης με ικανοποιητική ακρίβεια και στις δύο θερμοκρασίες. p: Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός 45 4 HPt+LP+LC Παθητική αναγέννηση στους 33 C 14 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Αιθάλη p Παροχή Θερμοκρασία Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α)

113 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 97 p: Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός 45 Αιθάλη 4 HPt+LP+LC Παθητική αναγέννηση στους 4 C 14 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία p Παροχή Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 5.3: Πρόβλεψη της πτώσης πίεσης και της μάζας αιθάλης σε συνθήκες παθητικής αναγέννησης για το φίλτρο χαμηλού πορώδους στους: (α) 33 C και (β) 4 C. Στην Εικ. 5.4 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα των παθητικών αναγεννήσεων του φίλτρου με το υψηλό μέσο μέγεθος πόρων. Και στην περίπτωση αυτή τα αποτελέσματα του μοντέλου είναι σε συμφωνία με τα πειραματικά. Η διαφορά σε σχέση με το προηγούμενο φίλτρο είναι στη συμπεριφορά της μάζας αιθάλης, τόσο της μετρημένης, όσο και της υπολογισμένης. Πιο συγκεκριμένα, στην αναγέννηση των 4 C (Εικ. 5.4β), παρόλο που η μάζα στο τοίχωμα μειώνεται και η πτώση πίεσης πέφτει αισθητά, η μάζα αιθάλης που συσσωρεύεται συνολικά στο φίλτρο είναι οριακά θετική (+.3 g μέτρηση, +.4 g υπολογισμός), όπως σχολιάστηκε και στο τέλος της προηγούμενης παραγράφου, ως αποτέλεσμα της μεγάλης εξάρτησης της πτώσης πίεσης από τη μάζα αιθάλης που έχει συσσωρευτεί στο τοίχωμα. Στην περίπτωση αυτή η μείωση της μάζας του τοιχώματος είναι μεγαλύτερη σε σχέση με το προηγούμενο φίλτρο με το μικρό μέσο μέγεθος πόρων, αφού και η αρχική μάζα σε αυτό είναι μεγαλύτερη, όπως παρουσιάστηκε στην παράγραφο 3.4..

114 98 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ HPt+HP+LC Παθητική αναγέννηση στους 33 C 45 4 p: Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Αιθάλη 14 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Παροχή p Θερμοκρασία Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) p: Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός 45 4 Αιθάλη HPt+HP+LC Παθητική αναγέννηση στους 4 C 14 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία p Παροχή Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 5.4: Πρόβλεψη της πτώσης πίεσης και της μάζας αιθάλης σε συνθήκες παθητικής αναγέννησης για το φίλτρο υψηλού πορώδους στους: (α) 33 C και (β) 4 C. Στην Εικ. 5.5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της αναγέννησης στους 33 C του φίλτρου της προηγούμενης εικόνας. Τα αποτελέσματα αφορούν στην πρόβλεψη των αερίων ρύπων του καυσαερίου, και συγκεκριμένα στο CΟ (Εικ. 5.5α) και στο NΟ (Εικ. 5.5β). Η συγκέντρωση του CO αρχικά είναι ίδια στην είσοδο και στην έξοδο

115 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 99 του φίλτρου, αφού το υπόστρωμά του είναι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Καθώς ο κινητήρας λειτουργεί στα δύο σημεία της φόρτισης και αρχίζει να θερμαίνεται, η συγκέντρωση του CO μειώνεται στην είσοδο και στην έξοδο, ως τη χρονική στιγμή t=5 s. Στη συνέχεια το φίλτρο δέχεται καυσαέριο υψηλής θερμοκρασίας, το καταλυτικό του υπόστρωμα θερμαίνεται επαρκώς, και οξειδώνει πλήρως το CO. To μοντέλο προβλέπει με ακρίβεια τη φάση της ενεργοποίησης της καταλυτικής επικάλυψης ως τη χρονική περίοδο t=75 s, υπολογίζοντας συγκέντρωση του CO στην έξοδο παρόμοια με τη μετρημένη. Όσον αφορά στο ΝΟ, η μέτρησή στο σημείο της αναγέννησης δείχνει μείωσή του, απόρροια της μετατροπής του προς NO, σύμφωνα με την αντίστοιχη αντίδραση οξείδωσής του Πιν. 4.. Στην περίπτωση του υπολογισμού, το μοντέλο προβλέπει φυσικά την τάση αυτή, αδυνατεί όμως να προβλέψει ποσοτικά με ακρίβεια την απόδοση μετατροπής του ΝΟ, ενδεχομένως λόγω της παραγωγής ΝΟ από την αντίδραση του Πιν HPt+HP+LC - CO 33 C CO: Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Θερμοκρασία 4 Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] CO είσοδος Παροχή Συγκέντρωση CO [ppm] 5 CO έξοδος Χρόνος [s] (α) 5

116 1 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ HPt+HP+LC - NO 33 C Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία Παροχή NO: Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Χρόνος [s] NO είσοδος NO έξοδος Συγκέντρωση NO [ppm] (β) Εικ. 5.5: Πρόβλεψη των συγκεντρώσεων του: (α) CO και (β), ΝΟ σε συνθήκες παθητικής αναγέννησης στους 33 C για το φίλτρο υψηλής φόρτισης Pt και υψηλού μέσου μεγέθους πόρων. Στην Εικ. 5.6α παρουσιάζονται οι υπολογισμένοι ρυθμοί των αντιδράσεων της αιθάλης, του ίδιου φίλτρου στους 4 C. Είναι εμφανής η μηδενική συνεισφορά των αντιδράσεων του C με το Ο, με ταυτόχρονη επικράτηση της αντίδρασης του C με το NO, όπως είναι αναμενόμενο στη θερμοκρασία αυτή. Σε αυτή την περίπτωση το NO συνεισφέρει στην αναγέννηση με τρεις μηχανισμούς: 1. Αντίδραση του εισερχόμενου από τις εκπομπές του κινητήρα NO με της αιθάλη, σύμφωνα με την αντίδραση του Πιν Παραγωγή του NO στο καταλυτικό τοίχωμα και αντίδραση της αιθάλης του τοιχώματος με αυτό, τοπικά ή κατάντη των θέσεων παραγωγής του, πάντα μέσα στο τοίχωμα. 3. Παραγωγή του NO στο καταλυτικό τοίχωμα, διάχυση προς την αντίθετη κατεύθυνση της ροής, και αντίδρασή του με την αιθάλη ανάντη των καταλυτικών θέσεων, στη σωματιδιακή στρώση που είναι σε άμεση επαφή με το τοίχωμα. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζεται επίσης ο ρυθμός μεταφοράς του NO στη διεπιφάνεια τοιχώματος σωματιδιακής στρώσης, και ο αντίστοιχος διάχυσης του NO. Ο τελευταίος εμφανίζεται αρνητικός γιατί μεταφέρει μόρια του αερίου από το καταλυτικό τοίχωμα όπου παράγεται στη σωματιδιακή στρώση, όπως ήδη αναφέρθηκε στην περίπτωση 3, δηλαδή από την περιοχή της υψηλής συγκέντρωσης στην αντίστοιχη της χαμηλής. Υπό τις συνθήκες αυτές, και με συμπερίληψη της διάχυσης, ο ρυθμός συσσώρευσης της μάζας αιθάλης στο φίλτρο είναι αρνητικός στο σημείο λειτουργίας της αναγέννησης, όπως παρουσιάζεται και από την αντίστοιχη καμπύλη υπολογισμού της μάζας αιθάλης στην Εικ. 5.4β.

117 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 11 Στην Εικ. 5.6β παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα χωρίς τη συμπερίληψη της διάχυσης. Η επίδραση της διάχυσης παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της αναγέννησης, στη θερμοκρασία που εξετάζεται. Ο ρυθμός διάχυσης του NO είναι ασφαλώς μηδενικός, αφού ο 3 ος μηχανισμός που παρουσιάστηκε δεν υφίσταται πλέον. Και ο ρυθμός καύσης της αιθάλης είναι μικρότερος, προκαλώντας θετικό ρυθμό συσσώρευσης αιθάλης στο σημείο λειτουργίας της αναγέννησης. Στην περίπτωση αυτή, η συνολική μάζα που συσσωρεύεται στο φίλτρο κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου είναι 1. g, σε αντίθεση με τα.4 g του υπολογισμού με τη συμπερίληψη της διάχυσης. HPt+HP+LC Παθητική αναγέννηση στους 4 C - με διάχυση ΝΟ 3.E-4 Μεταφορά ΝΟ 3.E-4 Ρυθμός καύσης C [mole/s] Ρυθμός συσσώρευσης αιθάλης.e-4 1.E-4.E+ -1.E-4 -.E-4 C + ano -->a NO + (-a) CO + (a-1) CO ιάχυση ΝΟ C + ao --> (a-.5)co + (1-a)CO C + 1/ O + (NO) --> CO + (NO) συσσώρευση μαζας αιθάλης.e-4 1.E-4.E+ -1.E-4 -.E-4 Ρυθμός μεταφοράς/διάχυσης ΝΟ [mole/s] -3.E-4-3.E Χρόνος [s] (α)

118 1 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ HPt+HP+LC Παθητική αναγέννηση στους 4 C - χωρίς διάχυση ΝΟ 3.E-4 Μεταφορά ΝΟ 3.E-4 Ρυθμός καύσης C [mole/s] Ρυθμός συσσώρευσης αιθάλης.e-4 1.E-4.E+ -1.E-4 -.E-4 συσσώρευση μαζας αιθάλης C + ano -->a NO + (-a) CO + (a-1) CO C + ao --> (a-.5)co + (1-a)CO C + 1/ O + (NO) --> CO + (NO) ιάχυση ΝΟ.E-4 1.E-4.E+ -1.E-4 -.E-4 Ρυθμός μεταφοράς/διάχυσης ΝΟ [mole/s] -3.E-4-3.E Χρόνος [s] (β) Εικ. 5.6: Πρόβλεψη των ρυθμών συσσώρευσης μάζας αιθάλης, μεταφοράς και διάχυσης του ΝΟ, και του ρυθμού κατανάλωσης αιθάλης από τις αντιδράσεις της: (α) με διάχυση του ΝΟ και (β), χωρίς διάχυση του ΝΟ σε συνθήκες παθητικής αναγέννησης στους 4 C για το φίλτρο υψηλής φόρτισης Pt και υψηλού μέσου μεγέθους πόρων. Στην Εικ. 5.7 παρουσιάζονται οι υπολογισμένες αξονικές κατανομές της συγκέντρωσης του NO για τα κανάλια εισόδου και εξόδου τη χρονική στιγμή t=15 s, με και χωρίς τη συμπερίληψη της διάχυσης. Στην περίπτωση χωρίς τη διάχυση, η συγκέντρωση του NO στο κανάλι εισόδου παραμένει σταθερή, και ίση με 14 ppm, όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 5.3. Αντιθέτως, στην περίπτωση της συμπερίληψης της διάχυσης, το μοντέλο προβλέπει μία εκθετική μείωση κατά μήκος του καναλιού εισόδου, ως αποτέλεσμα του μηχανισμού διάχυσης, λόγω της μικρότερης συγκέντρωσης του NO μεταξύ της διεπιφάνειας της σωματιδιακής στρώσης τοιχώματος και της αντίστοιχης στο κανάλι εισόδου. Η συγκέντρωση του NO στο κανάλι εξόδου παραμένει σταθερή και στις δύο περιπτώσεις. Η ποσοτική διαφορά της συγκέντρωσης του NO στα κανάλια εξόδου, εξηγείται με τη βοήθεια της Εικ. 5.8 που ακολουθεί.

119 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 13 HPt+HP+LC Kατανομή ΝΟ στα κανάλια 35 Συγκέντρωση ΝΟ [ppm] Έξοδος χωρίς διάχυση Έξοδος με διάχυση Είσοδος χωρίς διάχυση Είσοδος με διάχυση Μήκος φίλτρου Εικ. 5.7: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης ΝO κατά μήκος των καναλιών του φίλτρου υψηλής φόρτισης Pt και υψηλού μέσου μεγέθους πόρων στους 4 C τη χρονική στιγμή t=15 s, με και χωρίς διάχυση. Στην Εικ. 5.8 παρουσιάζονται οι υπολογισμένες κατανομές της συγκέντρωσης του NO στη σωματιδιακή στρώση και στο καταλυτικό τοίχωμα, τη χρονική στιγμή t=15 s, με και χωρίς τη συμπερίληψη της διάχυσης, στην αξονική θέση L=135 mm. Στην περίπτωση της κατανομής χωρίς τη συμπερίληψη της διάχυσης, η συγκέντρωσή του αρχικά μειώνεται, καθώς η ροή εισέρχεται στη σωματιδιακή στρώση, ως αποτέλεσμα της αντίδρασης με την αιθάλη. Στην περίπτωση αυτή, η τιμή της συγκέντρωσης φτάνει τα 5 ppm περίπου, στη διεπιφάνεια σωματιδιακής στρώσης τοιχώματος, από τα 14 ppm στο κανάλι εισόδου στο μήκος L=135 mm. Αφού η ροή εισέλθει στο καταλυτικό τοίχωμα, η συγκέντρωση του ΝΟ αυξάνεται, μέχρι περίπου τα 9 ppm, όταν φτάσει στο κανάλι εξόδου. Στην περίπτωση της συμπερίληψης της διάχυσης, το ΝΟ που παράγεται στο τοίχωμα διαχέεται προς τη σωματιδιακή στρώση, αυξάνοντας έτσι τη συγκέντρωσή του σε αυτή, από την ελάχιστη τιμή των 5, στα 55 ppm περίπου. Ταυτόχρονα, λόγω της διάχυσης προς τη σωματιδιακή στρώση, μειώνεται η συγκέντρωση του NO, τόσο από το κανάλι εισόδου, όσο και από το κανάλι εξόδου σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές χωρίς το μηχανισμό της διάχυσης. Η αυξημένη συγκέντρωση του NO στη σωματιδιακή στρώση προκαλεί αντίστοιχη αύξηση του ρυθμού κατανάλωσης της αιθάλης, όπως παρουσιάστηκε στην Εικ. 5.6.

120 14 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 35 HPt+HP+LC Kατανομή ΝΟ στο τοιχωμα στο L=135mm Συγκέντρωση ΝΟ [ppm] Σωματιδιακή στρώση Τοίχωμα με διάχυση χωρίς διάχυση Πάχος τοιχώματος [mm] Εικ. 5.8: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης ΝO στη σωματιδιακή στρώση και στο τοίχωμα του φίλτρου υψηλής φόρτισης Pt και υψηλού μέσου μεγέθους πόρων στους 4 C τη χρονική στιγμή t=15 s, στο μήκος L=135 mm, με και χωρίς διάχυση. Τέλος, στην Εικ. 5.9 παρουσιάζονται σύγκριση των μετρημένων και υπολογισμένων αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων των παθητικών αναγεννήσεων υπό σταθερές συνθήκες για όλα τα εξεταζόμενα συστήματα αντιρρύπανσης. Όπως και στην Εικ. 5., τα αποτελέσματα αφορούν στη μεταβολή της μάζας αιθάλης και της πτώσης πίεσης κατά τη διάρκεια των δύο αναγεννήσεων στους 33 και 4 C. Είναι φανερό ότι το μοντέλο προσομοίωσης μπορεί να υπολογίσει όλες τις τάσεις, τουλάχιστον ποιοτικά, όσον αφορά στη μεταβολή της μάζα της αιθάλης. Η ποσοτική ακρίβεια είναι κι αυτή αποδεκτή, λαμβάνοντας υπόψη την ακρίβεια των ζυγίσεων των φίλτρων. Στην Εικ. 5.9β παρουσιάζεται η πρόβλεψη της πτώσης πίεσης στην παθητική αναγέννηση. Στην περίπτωση αυτή η ποσοτική πρόβλεψη είναι ακόμη πιο δύσκολη, εξαιτίας του φαινομένου της υστέρησης της μάζας αιθάλης στο τοίχωμα. Η δυσκολία εδώ έγκειται στο γεγονός ότι η συσχέτιση της πτώσης πίεσης με τη μάζα είναι διαφορετική κατά τη διάρκεια της φόρτισης σε σχέση με την αναγέννηση όπου αδειάζει το τοίχωμα.

121 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Μάζα Αιθάλης [g] DOC+Bare LP -. DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC m Αναγέννηση 33 C μέτρηση m Αναγέννηση 33 C υπολογισμός m Αναγέννηση 4 C μέτρηση -4 m Αναγέννηση 4 C υπολογισμός (α) συνθήκες αναφοράς: 4 Kg/h, 4 C Πτώση Πίεσης [mbar] DOC+Bare LP DOC+LPt+LP+LC HPt+LP+LC HPt+HP+LC HPt+HP+HC -4-6 ( p) Αναγέννηση 33 C μέτρηση ( p) Αναγέννηση 33 C υπολογισμός ( p) Αναγέννηση 4 C μέτρηση ( p) Αναγέννηση 4 C υπολογισμός (β) Εικ. 5.9: Σύγκριση μετρημένης υπολογισμένης : (α) μάζας αιθάλης και (β) πτώσης πίεσης στην παθητική αναγέννηση σε δύο θερμοκρασίες των διαφόρων συστημάτων αντιρρύπανσης.

122 16 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 5.5 Παραμετρική διερεύνηση επίδρασης της διάχυσης Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζεται μία παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης της διάχυσης στην εξέλιξη της παθητικής αναγέννησης. Η καθαρά υπολογιστική εξέταση που ακολουθεί βασίζεται σε ένα απλοϊκό σενάριο συνθηκών στην είσοδο του CDPF, σύμφωνα με το οποίο υποθέτονται σταθερές συνθήκες παροχής και θερμοκρασία καυσαερίου. Η μελέτη βασίζεται στο καταλυτικό φίλτρο με την υψηλή φόρτιση Pt και μέσο μέγεθος πόρων, και με τη χαμηλή φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης (HPt+ΗP+LC). Τα χαρακτηριστικά του φίλτρου αυτού παρουσιάστηκαν στον Πιν. 3.1 και στον Πιν. 3.. Στον Πιν. 5.3 που ακολουθεί, παρουσιάζονται η παροχής του καυσαερίου και οι συγκεντρώσεων των αερίων ουσιών στην είσοδο του φίλτρου. Η σύσταση του καυσαερίου που παρουσιάζεται, παρομοιάζει το αντίστοιχο ενός μεσαίου μεγέθους κινητήρα diesel επιβατικού οχήματος, σε λειτουργία υπό μέσο προς υψηλό φορτίο. Το σχήμα αντιδράσεων που χρησιμοποιείται σε αυτή τη διερεύνηση είναι οι τρεις αντιδράσεις της αιθάλης του Πιν. 5. καθώς και η αμφίδρομη οξείδωση του ΝΟ (αντίδραση 1 του Πιν. 4.). Οι προεκθετικοί όροι και οι ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών των αντιδράσεων είναι ίδιες με τις τιμές του φίλτρου αυτού, όπως παρουσιάστηκαν στους αντίστοιχους πίνακες. Πιν. 5.3: Ιδιότητες του καυσαερίου στην είσοδο του φίλτρου της παραμετρικής διερεύνησης. Ιδιότητα Παροχή καυσαερίου Τιμή.5 kg/s Συγκέντρωση Ο 1% Συγκέντρωση ΝΟ Συγκέντρωση ΝΟ 1 ppm 1 ppm Στην Εικ. 5.1 παρουσιάζεται η χρονική εξέλιξη της υπολογισμένης μάζας αιθάλης στο φίλτρο με και χωρίς τη συνεισφορά της διάχυσης. Η αρχική μάζα είναι 1 g/l και η θερμοκρασία του καυσαερίου είναι 4 C. Σε όλα τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται, υποτίθεται ότι η αρχική θερμοκρασία του υποστρώματος του φίλτρου είναι ίση με την αντίστοιχη του καυσαερίου, έτσι ώστε το φαινόμενο να είναι υπό πλήρως σταθερές συνθήκες. Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, η καύση της αιθάλης συμβαίνει λόγω αντίδρασης με το ΝΟ του κινητήρα, με το ΝΟ που παράγεται στο τοίχωμα και αντιδρά με την αιθάλη που βρίσκεται εκεί, και τέλος στην περίπτωση του συνυπολογισμού της διάχυσης, με το ΝΟ που διαχέεται από το τοίχωμα στο κανάλι εισόδου και αντιδρά με τη σωματιδιακή στρώση που βρίσκεται σε επαφή με το καταλυτικό τοίχωμα. Όπως παρουσιάζεται, η συνεισφορά του τελευταίου μηχανισμού αντίδρασης, δηλαδή της διάχυσης του ΝΟ, είναι αρκετά μεγάλη, καθώς η μάζα αιθάλης που αναγεννιέται είναι αρκετά υψηλότερη.

123 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Μάζα αιθάλης [g/l] Χωρίς διάχυση Με διάχυση Χρόνος [s] Εικ. 5.1: Υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο CDPF με και χωρίς τη συνεισφορά της διάχυσης. Στην Εικ που ακολουθεί παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της σωματιδιακής στρώσης στην αρχή, στη μέση και στο τέλος της αναγέννησης της διερεύνησης της προηγούμενης εικόνας (αρχική μάζα 1 g/l, θερμοκρασία 4 C). Οι κατανομές της συγκέντρωσης του ΝΟ κατά μήκος των καναλιών εισόδου και εξόδου, καθώς και μέσα στο τοίχωμα, δεν παρουσιάζονται, αφού είναι παρόμοιες με τις αντίστοιχες της προηγούμενης παραγράφου, όπως παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν στην Εικ. 5.7 και στην Εικ. 5.8 αντίστοιχα. Στην περίπτωση του συνυπολογισμού της διάχυσης η κατανομή της αιθάλης κατά μήκος του καναλιού εισόδου δεν είναι ομοιόμορφη. Η αιθάλη αναγεννιέται περισσότερο στο μπροστινό μέρος του φίλτρου, ενδεχομένως λόγω της μεγαλύτερης διαθεσιμότητας σε ΝΟ, όπως παρουσιάστηκε στην Εικ Στην περίπτωση όπου ο μηχανισμός της διάχυσης δε συνεισφέρει, οι κατανομές του πάχους της σωματιδιακής στρώσης είναι ομοιόμορφες, με τιμές αισθητά υψηλότερες από τις αντίστοιχες μέσες της εξέλιξης με συνυπολογισμό της διάχυσης.

124 18 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 1.4E-1 t= s t=15 s με διάχυση t=5 s με διάχυση t=15 s χωρίς διάχυση t=5 s χωρίς διάχυση Πάχος σωματιδιακής στρώσης [mm] 1.3E-1 1.E-1 1.1E-1 1.E-1 9.E- 8.E Μήκος φίλτρου [mm] 16 Εικ. 5.11: Υπολογισμένη εξέλιξη του πάχους της σωματιδιακής στρώσης κατά μήκος του CDPF σε διάφορες χρονικές στιγμές με και χωρίς τη συνεισφορά της διάχυσης. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν αποτελέσματα της παραμετρικής διερεύνησης της επίδρασης της διάχυσης. Επειδή ο κινητήρας diesel λειτουργεί υπό αρκετά μεγάλο εύρος θερμοκρασίας και παροχής καυσαερίου, συγκέντρωσης ΝΟ και ΝΟ, σκοπός της μελέτης που ακολουθεί είναι να εξεταστεί υπό ποιες συνθήκες λειτουργίας είναι σημαντική η επίδραση της διάχυσης του ΝΟ. Για να ποσοτηκοποιηθεί η επίδραση αυτή, υπολογίζεται ένας Μέσος Ρυθμός Αντίδρασης σε χρονική περίοδο Δ t, ο οποίος ορίζεται ως εξής: Δmαιθ ΜΡΑ = ά Δt λης (5.4) Το χρονικό διάστημα που έχει επιλεγεί είναι 5 s, το οποίο είναι μικρότερο από αυτό που απαιτείται για να ολοκληρωθεί η αναγέννηση σε κάθε περίπτωση, από αυτές που εξετάζονται. Η αναλογία συγκέντρωσης ΝΟ/ΝΟ στο καυσαέριο κρατήθηκε στο 9/1% των συνολικών NO x, η οποία είναι μία τυπική αναλογία σε κινητήρα diesel. Σε κάθε διερεύνηση εξετάζεται μεμονωμένα η επίδραση μίας μόνο παραμέτρου, υπό ποικίλες συνθήκες λειτουργίας, όπως παρουσιάστηκε και στις εργασίες των Haralampous et al. [8, 9]. Στην Εικ. 5.1α παρουσιάζεται ο ρυθμός της αναγέννησης συναρτήσει της θερμοκρασίας για δύο αρχικές φορτίσεις αιθάλης. Η παροχή του καυσαερίου και η συγκέντρωση του ΝΟ είναι σταθερές, με τιμές.5 kg/s και 1 ppm αντίστοιχα. Όπως είναι αναμενόμενο, ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, όχι όμως εκθετικά, αλλά γραμμικά, τουλάχιστον μέχρι τους 45 C. Αυτό συμβαίνει διότι ο συνολικός ρυθμός της καύσης της αιθάλης ελέγχεται όχι μόνο από την αντίδρασή της με το ΝΟ, αλλά επίσης και από το ρυθμό της αντίστροφης οξείδωσης του ΝΟ (παραγωγή του ΝΟ ), η οποία περιορίζεται από τη θερμοδυναμική ισορροπία στις υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, η εξάρτηση του ρυθμού από την αρχική μάζα αιθάλης είναι αποτέλεσμα της αντίστοιχης

125 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 19 εξάρτησης του ρυθμού της αντίδρασης της με το ΝΟ, γι αυτό και με αρχική μάζα 1 g/l ο ρυθμός αναγέννησης είναι περίπου κατά 5% υψηλότερος σε σχέση με τον αντίστοιχο των 5 g/l. Από τους 45 C και πάνω, αρχίζει να συνεισφέρει η αντίδραση της αιθάλης με το Ο, παρουσιάζοντας πλέον εκθετική αύξηση του ρυθμού αναγέννησης με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στην Εικ. 5.1β παρουσιάζεται η ποσοστιαία συνεισφορά της διάχυσης στο συνολικό ρυθμό αντίδρασης, πάλι συναρτήσει της θερμοκρασία. Η διάχυση συνεισφέρει από - 45% στο ρυθμό αντίδρασης, με αυξητική τάση, ως τους 43 C περίπου. Από τη θερμοκρασία αυτή και πάνω η συνεισφορά της διάχυσης αρχίσει να μειώνεται, αφού η καύση της αιθάλης γίνεται σταδιακά θερμική και όχι καταλυτική. 9 8 Με διάχυση: 1g/l Μέσος ρυθμός καύσης [g/l h] Με διάχυση: 5g/l Χωρίς διάχυση: 1g/l Χωρίς διάχυση: 5g/l Θερμοκρασία [ C] (α)

126 11 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 5 Ποσοστό συνεισφοράς της διάχυσης [%] g/l 1g/l Θερμοκρασία [ C] (β) Εικ. 5.1: (α): Μέσος ρυθμός καύσης συναρτήσει της θερμοκρασίας για δύο διαφορετικές αρχικές μάζες αιθάλης και (β): Ποσοστιαία συνεισφορά της διάχυσης στο συνολικό ρυθμό αντίδρασης. Στη συνέχεια εξετάζεται η επίδραση της συγκέντρωσης των NO x στο ρυθμό αντίδρασης, συναρτήσει της παροχής του καυσαερίου. Στη διερεύνηση αυτή η θερμοκρασία και η αρχική μάζα αιθάλης κρατήθηκαν σταθερές στους 4 C και στα 5 g/l αντίστοιχα. Στην Εικ. 5.13α παρουσιάζεται η επίδραση της παροχής και της συγκέντρωσης των ΝΟ x στο μέσο ρυθμό της αντίδρασης. Το εύρος τιμών της παροχής που παρουσιάζονται στην εικόνα αυτή είναι αντιπροσωπευτικό των συνθηκών που μπορεί να υπάρξουν σε έναν κινητήρα diesel, ο οποίος είναι εξοπλισμένος με αντίστοιχου μεγέθους φίλτρο με αυτό που εξετάζεται. Η συμπεριφορά του ρυθμού καύσης είναι αντίστροφη με και χωρίς τον συνυπολογισμό της διάχυσης του ΝΟ. Στους υπολογισμούς με διάχυση ο ρυθμός καύσης μειώνεται, καθώς αυξάνεται η παροχή, ενώ αντίστροφα στην περίπτωση χωρίς διάχυση, ο ρυθμός καύσης είναι μεγαλύτερος σε υψηλές παροχές καυσαερίου. Η συμπεριφορά αυτή γίνεται πιο κατανοητή με τη βοήθεια της Εικ. 5.13β, στην οποία παρουσιάζεται η συνεισφορά της διάχυσης συναρτήσει της παροχής για τις δύο συγκεντρώσεις ΝΟ x που εξετάζονται. Από την εικόνα αυτή παρατηρείται ότι η επίδραση της διάχυσης είναι σημαντικά υψηλότερη στις μικρότερες παροχές καυσαερίου. Αυτό είναι αναμενόμενο γιατί η διάχυση του ΝΟ προς το στρώμα αιθάλης εξαρτάται από τον αριθμό Peclet της ροής μέσω του πορώδους τοιχώματος. Όσον αφορά στην επίδραση της συγκέντρωσης των NO x, ενώ στο ρυθμό καύσης είναι μεγάλη, αντιθέτως η συνολική συνεισφορά της διάχυσης δεν εξαρτάται από τα NO x.

127 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Μέσος ρυθμός καύσης [g/l h] Με διάχυση: 1 ppm NO Χωρίς διάχυση: 1 ppm NO Με διάχυση: 5 ppm NO Χωρίς διάχυση: 5 ppm NO Παροχή καυσαερίου [g/s] (α) 9 Ποσοστό συνεισφοράς της διάχυσης [%] ppm 5 ppm Παροχή καυσαερίου [g/s] (β) Εικ. 5.13: (α): Μέσος ρυθμός καύσης συναρτήσει της παροχής του καυσαερίου για δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις ΝΟ x και (β): Ποσοστιαία συνεισφορά της διάχυσης στο συνολικό ρυθμό αντίδρασης. Τέλος, στην Εικ παρουσιάζεται η επίδραση της συστροφής τ στη συνεισφορά της διάχυσης στο μέσο ρυθμό καύσης της αιθάλης σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες. Στην περίπτωση αυτή η παροχή του καυσαερίου και η συγκέντρωση του ΝΟ κρατήθηκαν σταθερές με τιμές.5 kg/s και 1 ppm αντίστοιχα. Όπως αναφέρθηκε και στην

128 11 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ προηγούμενη παράγραφο, η τιμή της συστροφής που χρησιμοποιείται σε όλες τις προσομοιώσεις της εργασίας αυτής είναι 3. Η ευαισθησία των αποτελεσμάτων από τη συστροφή είναι αρκετά μεγάλη, και ιδιαίτερα για τιμές μικρότερες της τιμής 3 που χρησιμοποιείται. Για τιμή 1, η διάχυση μπορεί να συνεισφέρει στο συνολικό ρυθμό καύσης ακόμη μέχρι και κατά 5%. Ακόμη και για μεγάλες τιμές συστροφής, η διάχυση μπορεί να αυξάνει το ρυθμό καύσης από 1 έως 18%, καθιστώντας τον συνυπολογισμό της σημαντικό στη σωστή πρόβλεψη της μάζας που αναγεννιέται κατά τη διάρκεια μίας παθητικής αναγέννησης. 7 Ποσοστό συνεισφοράς της διάχυσης [%] C 4 C Συστρωφή [-] Εικ. 5.14: Συνεισφορά της διάχυσης στο μέσο ρυθμό καύσης της αιθάλης συναρτήσει της συστροφής σε δύο θερμοκρασίες. 5.6 Βελτιστοποίηση του συστήματος DOC+CDPF Στην παράγραφο αυτή θα εξεταστεί παραμετρικά η βελτιστοποίηση του συστήματος DOC+CDPF. Η μελέτη που ακολουθεί θα επικεντρωθεί στην αποδοτικότητα της λειτουργίας του συστήματος κατά την παθητική αναγέννηση. Το μοναδικό κριτήριο που θα εξεταστεί για την αξιολόγηση των ποικίλων συνδυασμών του συστήματος DOC+CDPF είναι το ποσό της μεταβολής της μάζας αιθάλης στο CDPF κατά τη διάρκεια λειτουργίας σε σταθερό σημείο για 3 min στους 4 C, δηλαδή υπό τις ίδιες συνθήκες που εξετάστηκαν στην παράγραφο Ο σκοπός της μελέτης αυτής είναι η χρήση του μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης ως εργαλείο βελτιστοποίησης της κατανομής της φόρτισης της Pt μεταξύ του DOC και του CDPF. Όλες οι γεωμετρικές ιδιότητες του συσκευών είναι ίδιες με τις αντίστοιχες που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική και υπολογιστική μελέτη που παρουσιάστηκε στις προηγούμενες παραγράφους, καθώς και στην εργασία των Koltsakis et al. [34]. Για να καταστεί δυνατή η διερεύνηση αυτή, είναι σημαντικό να είναι γνωστή η εξάρτηση της καταλυτικής δραστηριότητας με την ποσότητα της Pt. Παρόλο που η εξάρτηση αυτή δεν είναι εύκολο να προσδιοριστεί με ακρίβεια, μία λογική προσέγγιση είναι η υπόθεση ότι ο προ-εκθετικός όρος των ρυθμών αντίδρασης είναι ευθέως ανάλογος στην ποσότητα

129 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 113 της Pt. Έχει αποδειχτεί σε μία πρόσφατη έρευνα των Chatterjee et al. [35] ότι αυτή η απλοϊκή προσέγγιση μπορεί να είναι αρκετά ρεαλιστική υπό συγκεκριμένο εύρος ποσοτήτων Pt για εφαρμογές οξειδωτικού καταλύτη. Ως πρώτο βήμα, εξετάζεται η επίδραση της καταλυτικής δραστηριότητας του DOC στην αποδοτικότητα της παθητικής αναγέννησης του συστήματος DOC+CDPF. Με την υπόθεση ότι ο προ-εκθετικός όρος των αντιδράσεων οξείδωσης που λήφθηκαν από την ρύθμιση του DOC είναι ίσος με Α, στην Εικ παρουσιάζεται η υπολογισμένη επίδραση ενός διαφορετικού προ-εκθετικού όρου (μικρότερου ή μεγαλύτερου από Α) στη μεταβολή της μάζας αιθάλης. Το διάγραμμα περιέχει τρεις καμπύλες οι οποίες αντιστοιχούν σε τρεις διαφορετικές φορτίσεις Pt στο DPF, συμπεριλαμβανομένου ενός μη καταλυτικού DPF (Bare DPF). Από τα αποτελέσματα είναι φανερό ότι όταν διπλασιάζεται ο προ-εκθετικός όρος υπάρχει σημαντικό πλεονέκτημα στην παθητική αναγέννηση, ενώ περαιτέρω αύξηση του Α δε φέρνει αναλογικά τα αναμενόμενα αποτελέσματα. Αντιθέτως, η μείωση του προ-εκθετικού όρου κατά.5xa έχει ως αποτέλεσμα σε σημαντικά πιο αδύναμη παθητική αναγέννηση m 4 C [g] DOC+Bare LP -3 DOC+LPt+LP+LC DOC+HPt+LP+LC DOC: Προ-εκθετικός όρος (xa ) Εικ. 5.15: Επίδραση της καταλυτικής δραστηριότητας του DOC στην αποδοτικότητα της παθητικής αναγέννησης. Στην Εικ παρουσιάζεται μία παρόμοια διερεύνηση για την περίπτωση της καταλυτικής δραστηριότητας του CDPF. Η μία καμπύλη αναφέρεται στο σύστημα απλού CDPF, ενώ η δεύτερη αναφέρεται στο σύστημα του στάνταρ DOC και του CDPF. Η παράμετρος λοιπόν που μεταβάλλεται είναι ο προ-εκθετικός όρος Α του CDPF με χαμηλή φόρτιση Pt. Διπλασιάζοντας την ποσότητα της Pt (δηλαδή xa), βελτιώνεται η αποδοτικότητα της παθητικής αναγέννησης του συστήματος απλού CDPF. Παρόλα αυτά, με περαιτέρω αύξηση του Α, δεν υπάρχει ανάλογη αύξηση στην αποδοτικότητα της αναγέννησης του συστήματος. Η καμπύλη που αντιστοιχεί στο σύστημα DOC+CDPF δείχνει μικρότερη ευαισθησία στην καταλυτική δραστηριότητα του CDPF. Αυτό υποδεικνύει ότι το μεγαλύτερο μέρος της δραστικότητας της παθητικής αναγέννησης οφείλεται στην παραγωγή του NO στον τοποθετημένο ανάντη DOC.

130 114 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 3 1 LPt+LP+LC HPt+LP+LC m 4 C [g] -1 CDPF - -3 DOC+CDPF DPF: Προ-εκθετικός όρος (xa ) Εικ. 5.16: Επίδραση της καταλυτικής δραστηριότητας του CDPF στην αποδοτικότητα της παθητικής αναγέννησης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία παραμετρική υπολογιστική διερεύνηση για να μελετηθεί η συνεισφορά του DOC και του CDPF στην παθητική αναγέννηση. Η διερεύνηση βασίζεται στις ακόλουθες βασικές υποθέσεις / οριακές συνθήκες: Η καταλυτική δραστικότητα, όπως εκφράζεται από τον προ-εκθετικό όρο του ρυθμού των αντιδράσεων είναι ευθέως ανάλογη στην ποσότητα της Pt. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του DOC και του CDPF είναι σταθερά. Η συνολική αθροιστική ποσότητα Pt σε γραμμάρια του συστήματος DOC+CDPF είναι σταθερή. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω υποθέσεις, ο σκοπός της υπολογιστικής μελέτης που ακολουθεί είναι ο καθορισμός μίας βέλτιστης κατανομής της Pt μεταξύ του DOC και του CDPF, χρησιμοποιώντας ως μοναδικό κριτήριο την παθητική αναγέννηση στους 4 C. Στην Εικ παρουσιάζεται η συνολική υπολογισμένη αιθάλη που συσσωρεύεται υπό το συγκεκριμένο πρωτόκολλο μέτρησης συναρτήσει της φόρτισης Pt στο CDPF. Το τελευταίο σημείο του δεξιού άκρου του διαγράμματος αντιστοιχεί στην οριακή περίπτωση, στην οποία δεν υπάρχει DOC και όλη η καταλυτική δραστηριότητα βρίσκεται στο φίλτρο. Αντιθέτως, το πρώτο σημείο από τα αριστερά αντιστοιχεί σε σύστημα DOC και μη καταλυτικού φίλτρου. Είναι φανερό από το διάγραμμα ότι ο βαθμός απόδοσης της αναγέννησης μεγιστοποιείται για φόρτιση Pt στο CDPF 15- g/cft. Ωστόσο, υπενθυμίζεται ότι το αποτέλεσμα αυτό είναι ενδεχομένως θεωρητικής σημασίας, αφού ισχύει για το συγκεκριμένο πρωτόκολλο μέτρησης και σύστημα DOC+CDPF. Η βέλτιστη κατανομή Pt θα μπορούσε να προσδιοριστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια αν η διερεύνηση περιελάμβανε περισσότερα πιθανά σημεία λειτουργίας κατά την αναγέννηση, με ευρύτερο εύρος θερμοκρασιών. Σκοπός της διερεύνησης αυτής είναι να τονιστεί η πιθανή αντικατάσταση των μετρήσεων πιθανών συνδυασμών DOC και CDPF που χρειάζονται να γίνουν για τη βελτιστοποίηση του συστήματος, με προσομοιώσεις. Στην περίπτωση αυτή

131 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 115 το όφελος θα ήταν διπλό, τόσο από οικονομική άποψη, όσο και από άποψη χρόνου που θα απαιτούνταν για το πλήθος των μετρήσεων και των συσκευών που θα απαιτούνταν m 4 C [g] CDPF: φόρτιση Pt [g/cft] Εικ. 5.17: Βελτιστοποίηση της κατανομής της Pt: Συσσώρευση αιθάλης στους 4 C συναρτήσει της φόρτισης Pt του CDPF. Η φόρτιση Pt του DOC είναι μεταβλητή για να κρατηθεί σταθερή η συνολική ποσότητα Pt του συστήματος. 5.7 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε η μελέτη της παθητικής αναγέννησης των καταλυτικών φίλτρων. Η μελέτη βασίστηκε σε στοχευμένες μετρήσεις συστημάτων DOC και CDPF και απλών CDPF, οι οποίες διεξήχθησαν σε κινητήρα diesel. Τα συστήματα με DOC ανάντη επιδεικνύουν μεγαλύτερη δραστικότητα σε θερμοκρασίες κοντά στους 33 C, ως αποτέλεσμα της καύσης της αιθάλης με το εισερχόμενο ΝΟ που παράγεται στο DOC. Αντιθέτως, στους 4 C, η αναγέννηση βασίζεται κυρίως στο ΝΟ που παράγεται στο καταλυτικό τοίχωμα και διαχέεται προς τη σωματιδιακή στρώση. Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν οι βασικές εξισώσεις της διάχυσης που περιλαμβάνονται στο μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης και η αντίδραση της αιθάλης με το ΝΟ που κυριαρχεί σε αυτές στις αναγεννήσεις υπό χαμηλή θερμοκρασία. Το μοντέλο επαληθεύτηκε σε αναγεννήσεις σε δύο θερμοκρασίες (33 και 4 C), με φίλτρα δύο διαφορετικών υποστρωμάτων (μικρό και μεγάλο πορώδες και μέσο μέγεθος πόρων) με διαφορετική ποσότητα Pt και με DOC ή χωρίς ανάντη από το φίλτρο. Σημαντικό ρόλο στην πρόβλεψη της μάζας αιθάλης και στη μεταβολής της πτώσης πίεσης κατά την αναγέννηση παίζουν η συμπερίληψη της διάχυσης και η ορθή εκτίμηση των κινητικών των αντιδράσεων του καταλυτικού τοιχώματος, όπως παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Ακολούθησε μια παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης της διάχυσης του ΝΟ στην αποδοτικότητα της παθητικής αναγέννησης. Αποδεικνύεται ότι η συνεισφορά του μηχανισμού της διάχυσης μπορεί να οφείλεται ακόμη και για το 4% της μάζας αιθάλης

132 116 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ που αναγεννιέται, σε συνθήκες θερμοκρασίας, παροχής και σύστασης του καυσαερίου που συναντώνται σε λειτουργία κινητήρα diesel επιβατικού οχήματος. Η επίδραση της διάχυσης μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από τους 45 C, όπου η αναγέννηση αρχίζει να ανεβάζει ρυθμό λόγω της καύσης της αιθάλης με το Ο. Τέλος παρουσιάστηκε μία προσπάθεια βελτιστοποίησης του συστήματος DOC+CDPF, όσον αφορά στην κατανομή της καταλυτικής επίστρωσης μεταξύ των δύο συσκευών. Η ορθολογική χρήση των ευγενών μετάλλων είναι απαραίτητη σε συστήματα αντιρρύπανσης με σκοπό την ελαχιστοποίηση του κόστους και τη μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε μπορεί να αποτελέσει βασικό εργαλείο υπολογιστικών διερευνήσεων βελτιστοποίησης της κατανομής της Pt, του όγκου και των χαρακτηριστικών των υποστρωμάτων των δύο συσκευών, αποφεύγοντας τα χρονοβόρα και δαπανηρά πειράματα.

133 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 117 Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Ιωάννης Π. Κανδύλας, 3. Συνεισφορά των οξειδίων του αζώτου (NO x ) στην αναγέννηση παγίδων αιθάλης κινητήρων diesel. ιδακτορική ιατριβή Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Cooper Β. J., Thoss J. E., Role of NΟ in Diesel Particulate Emission Control. SAE Paper Ehrburger P., Brilhac J. -F., Drouillot T., Logie V., Gilot P.,. Reactivity of Soot with Nitrogen Oxides in Exhaust Stream. SAE Paper Jacquot F., Logie V., Brilhac J. F., Gilot P.,. kinetics of the soot oxidation of carbon black by NO : Influence of the presence of water and oxygen Carbon, 4, Jacquot F., Brilhac J. F., 4. Soot Oxidation By O and/or NO in the Presence of Catalysts Under Lean-Burn and Rich Atmospheres. SAE Paper Liu S., Obuchi A., Uchisawa J., Nanba T., Kushiyama S.,. An Explotatory Study of Diesel Soot Oxidation with NO and O on Supported Metal Oxide Catalysts, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 37, pp Setiabudi A., Makkee M., Moulijn J., A, 4. The role of NO and O in the accelerated combustion of soot in diesel exhaust gases, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 5, pp Stanmore B. R., Brilhac J. F.and Gilot P., 1. The oxidation of soot: a review of experiments, mechanisms and models Carbon, 39, Stanmore B. R.,Tschamber V., Brilhac J. F., 8. Oxidation of carbon by NO x, with particular reference to NO and N O Fuel, 87, Ciambelli P., V. Palma, P. Russo, S. Vaccaro,. The role of NO in the regeneration of catalytic ceramic filters for soot removal from exhaust gases. Catalysis Today, 6(1), p Teraoka Y., Shangguan W., Kagawa S., Reaction Mechanism of Simultaneous Catalytic Removal of NOx and Diesel Soot Particulates, AIChE, Annual Meeting, Session Xue E., Seshan K., Ross J. R. H., Roles of Supports, Pt Loading and Pt Dispersion in the Oxidation of NO to NO and of SO to SO 3, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 11, pp Matsuoka K., Orikasa H., Itoh Y., Chambrion P., Tomita A.,. Reaction of NO with Soot over Pt-Loaded Catalyst in the Presence of Oxygen, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 6, pp Jelles S. J., Krul R., Makkee M., Moulijn J. A., The Influence of NO x on the Oxidation of Metal Activated Diesel Soot. Catalysis Today, 53, p Uchisawa J., Obuchi A., Enomoto R., Liu S., Namba T., Kushiyama S..,. Catalytic Performance on Various Metal Oxides in the Oxidation of Carbon Black, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 6, pp Uchisawa J., Obuchi A., Ogata A., Enomoto R., Kushiyama S.., Effect of Feed Gas of Carbon Oxidation with Pt/SiO and the Oxidation Mechanism, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 1, pp Uchisawa J., Obuchi A., Zhao Z., Kushiyama S.., Carbon Oxidation with Platinum Supported Catalysts, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 18, pp L183-L Mul G., Zhu W., Kapteijn F., Moulijn J., The Effect of NO x and CO on the Rate of Transition Metal Oxide Catalyzed Black Carbon Oxidation: An Exploratory Study. Applied Catalysis B: Environmental, 17, pp. 5-.

134 118 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 19 Kandylas I. P., Haralampous O. A., Koltsakis G. C.,. Diesel Soot Oxidation with NO: Engine Experiments and Simulations, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 41, pp Kalogirou M., Katsaounis D., Koltsakis G.C, Samaras Z. C., 7. Measurements of Diesel Soot Oxidation Kinetics in an Isothermal Flow Reactor Catalytic Effects Using Pt-based Coatings. Topics in Catalysis, 4-43 (1-4), pp Mohammed H., Lakkireddy V. R., Johnson J. H. and Bagley S. T., 6. An Experimental and Modeling Study of a Diesel Oxidation Catalyst and a Catalyzed Diesel Particulate Filter Using a 1-D -Layer Model. SAE Paper Allansson R., Blackeman P. G., Cooper B. J., Hess H., Silcock P. J. and Walker A. P.,. Optimizing the Low Temperature Performance and Regeneration Efficiency of the Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter (CR-DPF) System. SAE Paper Bissett E. J., Mathematical Model of the Thermal Regeneration of a Wall-Flow Monolith Diesel Particulate Filter, Chemical Engineering Science, vol. 39, pp Wurzenberger J. C., Kutschi S., 7. Advanced Simulation Technologies for Diesel Particulate Filters, A Fundamental Study on Asymmetric Channel Geometries, SAE paper Konstandopoulos A. G., Kostoglou M., Periodically Reversed Flow Regeneration of Diesel Particulate Traps, SAE paper Konstandopoulos A. G., Kostoglou M., Lorentzou S., 7. Wall-scale Reaction Models in Diesel Particulate Filters, SAE paper Mohammed H., Triana A. P., Yang S-L., Johnson J. H., 6. An Advanced 1D -Layer Catalyzed Diesel Particulate Model to Simulate: Filtration by the Wall and Particulate Cake, Oxidation in the Wall and Particulate Cake by NO and O, and Regeneration by Heat Addition, SAE paper Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 4. Back-Diffusion Modeling of NO in Catalyzed Particulate Filters. Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 43, 4, pp Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Koltsakis G. C., Samaras Z. C., 4. Study of Catalytic Regeneration Mechanisms in Diesel Particulate Filters using Coupled Reaction- Diffusion Modeling. SAE paper , SAE International Spring Fuels & Lubricants Meeting, Toulouse. 3 Danckwerts, P. V., Continuous Flow Systems Distribution of Residence Times. Chem. Eng. Sci.,, Dullien F. A. L., Porous Media: Fluid Transport and Pore Structure, Academic Press. 3 Hayes R. E., Kolaczkowskib S. T., Li P. K. C., Awdry S.,. Evaluating the effective diffusivity of methane in the washcoat of o honeycomb monolith, Applied Catalysis B: Ennvironmental, vol. 5, pp Kolaczkowskib S. T., 3. Measurement of effective diffusivity in catalyst-coated monolith, Catalysis Today, vol. 83, pp Koltsakis G. C., Dardiotis C. K., Samaras Z. C. Maunula T., Kinnunen T. and Lundorf P., 9. Optimization Methodologies for DPF Substrate Catalyst Combinations. SAE paper Chatterjee D, Burkhardt T., Rappe T., Guethenke A., Weibel M., l, 8. Numerical Simulation of DOC+DPF+SCR Systems: DOC Influence on SCR Performance, SAE paper

135 6 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 6.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό μελετάται η συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου υπό συνθήκες εξαναγκασμένης αναγέννησης. Η εξαναγκασμένη αναγέννηση επιτυγχάνεται με δευτερογενή έγχυση καυσίμου πριν από τον οξειδωτικό καταλύτη, ο οποίος βρίσκεται ανάντη του καταλυτικού φίλτρου [1]. Το καύσιμο καίγεται στο θερμό υπόστρωμα του DOC, παράγοντας εξωθερμία, η οποία με τη σειρά της ανεβάζει τη θερμοκρασία στο φίλτρο σε επίπεδα υψηλά ώστε να αναγεννηθεί επαρκώς, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Koltsakis et al. []. Ο σκοπός της καταλυτικής επικάλυψης στα φίλτρα είναι να διευκολύνει την αναγέννηση και να ελαχιστοποιήσει της εκπομπές σε CO κατά την αναγέννηση. Επομένως, επειδή τα καταλυτικά φίλτρα είναι αποδοτικά στην οξείδωση των CO και HC, είναι δυνατή η αφαίρεση του DOC από το σύστημα εξαγωγής του οχήματος [3, 4]. Η μελέτη που παρουσιάζεται περιλαμβάνει σύγκριση συστημάτων αντιρρύπανσης αποτελούμενα είτε από συνδυασμό DOC και CDPF, είτε από απλό CDPF. Η σύγκριση γίνεται υπό συνθήκες αναγέννησης αρχικά υψηλής θερμοκρασίας και στη συνέχεια αλλαγής του κινητήρα σε άφορτη λειτουργία, με σύντομη ή παρατεταμένη δευτερογενή έγχυση. Η μεθοδολογία που ακολουθείται περιλαμβάνει ανάλυση μετρημένων μεγεθών που λήφθηκαν από κατάλληλα σχεδιασμένα πειράματα σε κινητήρα. Παράλληλα, εφαρμόζεται το τρισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης της λειτουργίας του καταλυτικού φίλτρου, όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Koltsakis et al. [5]. Η σωστή πρόβλεψη της συμπεριφοράς του καταλυτικού φίλτρου κατά την αναγέννηση υψηλής θερμοκρασίας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη μελέτη και στον σχεδιασμό των συνδυασμένων συστημάτων παθητικής ενεργητικής αναγέννησης. 6. Πειραματική διάταξη πρωτόκολλο μέτρησης Οι μετρήσεις έγιναν σε κινητήρα. l, υπερτροφοδοτούμενο, με ανακυκλοφορία καυσαερίου, ισχύος 1 kw. Ο κινητήρας ήταν εγκατεστημένος σε πέδη δινορευμάτων. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν σε εργαστήριο της εταιρίας NGK [6]. Η έγχυση του καυσίμου είναι άμεση και πραγματοποιείται μέσω συστήματος κοινού αυλού (common rail). Η αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου του φίλτρου μέχρι μια προκαθορισμένη τιμή πραγματοποιούταν με δευτερογενή έγχυση (post-injection). Ανάντη του καταλυτικού φίλτρου ήταν τοποθετημένος ένας οξειδωτικός καταλύτης, οπότε οι συγκεντρώσεις CO και HC στην είσοδο του φίλτρου ήταν αμελητέες ακόμα και κατά τη διάρκεια της δευτερογενούς έγχυσης. Η φόρτιση του φίλτρου με αιθάλη πραγματοποιείται με λειτουργία του κινητήρα σε σταθερό σημείο λειτουργίας, στις 17 prm με το φορτίο σταθερό στα 95 Nm, μέχρι τη φόρτιση του φίλτρου με περίπου 8 g/l αιθάλης. Στην συνέχεια ακολουθεί το πρωτόκολλο της αναγέννησης. Ο κινητήρας λειτουργεί αρχικά στο σημείο φόρτισης, μέχρι να σταθεροποιηθούν οι συνθήκες στο φίλτρο, (θερμοκρασία, συγκεντρώσεις αερίων ρύπων). Στη συνέχεια, ο κινητήρας μεταβαίνει σε λειτουργία δευτερογενούς έγχυσης, επίσης στις 17 rpm. Οι HC που εγχύονται στο χρόνο της εκτόνωσης κατά τη λειτουργία

136 1 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ δευτερογενούς έγχυσης φτάνουν στο θερμό υπόστρωμα του DOC και οξειδώνονται, παράγοντας εξωθερμία. Η θερμοκρασία του καυσαερίου αυξάνεται στην είσοδο του φίλτρου. Σταδιακά ολόκληρο το φίλτρο θερμαίνεται, οπότε ξεκινά η αναγέννησή του. Μόλις η πτώση πίεσης ξεκινά να πέφτει, ο κινητήρας μεταβαίνει σε άφορτη λειτουργία (ρελαντί). Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μελέτη δύο εναλλακτικών σεναρίων αναγέννησης για τη σύγκριση δύο διαφορετικών συστημάτων, με και χωρίς οξειδωτικό καταλύτη ανάντη του φίλτρου. Στην Εικ. 6.1 παρουσιάζεται το γενικό πρωτόκολλο της αναγέννησης. Θερμοκρασία Στόχο ς DPF μέγιστη θερμοκρασία DPF είσοδος ευτερογενής έγχυση OFF ON OFF Στροφές Ροπή ιάρκεια αναγέννησης Πτώση πίεσης 17 rpm ρελαντί 95 N m 6 s Xρόνος Εικ. 6.1: Πειραματικό πρωτόκολλο αναγέννησης με δευτερογενή έγχυση. Η διάκριση μεταξύ ελεγχόμενης και μη ελεγχόμενης αναγέννησης βασίζεται στη διάρκεια της περιόδου της δευτερογενούς έγχυσης. Κατά την πρώτη, μία παρατεταμένη περίοδος δευτερογενούς έγχυσης θα οδηγήσει σε ένα σημαντικό κλάσμα της αιθάλης που καίγεται υπό συνθήκες υψηλής παροχής με σχετικά χαμηλότερα θερμοκρασιακά ξεσπάσματα λόγω της εξωθερμίας. Επομένως, όταν ο κινητήρας λειτουργήσει στο ρελαντί, θα έχει παραμείνει για οξείδωση ένα μικρό ποσό αιθάλης με μικρό κίνδυνο υπερθέρμανσης του φίλτρου. Αντιθέτως, το πρωτόκολλο μη ελεγχόμενης αναγέννησης αποτελείται από μία σύντομη περίοδο δευτερογενούς έγχυσης, κατά τη διάρκεια της οποίας η θερμοκρασία του φίλτρου αυξάνεται αισθητά, πριν γίνει η αλλαγή στο ρελαντί. Τη στιγμή της αλλαγής στο ρελαντί, η σωματιδιακή φόρτιση στο φίλτρο είναι ακόμη υψηλή, οδηγώντας έτσι σε μία ραγδαία αναγέννηση με σημαντική εξωθερμία, απειλώντας πιθανώς τη δομική ακεραιότητα του φίλτρου. Το πρωτόκολλο αυτό ονομάζεται και πρωτόκολλο καταστροφικής αναγέννησης. Το CDPF που μελετάται είναι κατασκευασμένο από την εταιρία NGK. Το υλικό κατασκευής του είναι το SiC και είναι φίλτρο 16 τεμαχίων, τα ποια συνδέονται μεταξύ τους με ειδικό συνδετικό υλικό (τσιμέντο). Στον Πιν. 6.1 που ακολουθεί περιγράφονται τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του CDPF που μελετήθηκε στο παρόν κεφάλαιο.

137 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 11 Πιν. 6.1: Γεωμετρικές και θερμοφυσικές ιδιότητες του CDPF της NGK. Ιδιότητα Υλικό υποστρώματος Διάμετρος φίλτρου Μήκος φίλτρου Τιμή Καρβίδιο του Πυριτίου (SiC).144 m.154 m Πυκνότητα κελιών 3 cells/in Πάχος τοιχώματος 3.48 x 1-4 m Πυκνότητα υποστρώματος 175 kg/m 3 Διαπερατότητα υποστρώματος 5 x 1-13 m 6.3 Αναγέννηση υψηλής θερμοκρασίας απλού CDPF και DOC+CDPF Ελεγχόμενη αναγέννηση Το σχήμα αντιδράσεων που χρησιμοποιείται για τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα στο τοίχωμα του φίλτρου προέρχεται από παλαιότερη εμπειρία σε όμοια καταλυτικά φίλτρα [, 7 ]. Στον Πιν. 6. και στον Πιν. 6.3 που ακολουθούν παρουσιάζονται τα σχήματα αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο καταλυτικό τοίχωμα και στη σωματιδιακή στρώση αντίστοιχα, καθώς επίσης και ο προεκθετικός όρος A και η ενέργεια ενεργοποίησης E του κάθε ρυθμού αντίδρασης. Περισσότερα για τα σχήματα των καταλυτικών αντιδράσεων και των αντίστοιχων της αιθάλης αναφέρονται στις παραγράφους 5. και 5.1 αντίστοιχα, του παραρτήματος Α.

138 1 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Πιν. 6.: Αντιδράσεις στο καταλυτικό τοίχωμα του CDPF, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A Ενέργεια ενεργοποίησης E 1 1. NO + O NO 3 x NO NO + O x CO + O CO 3.5 x O H O 3.5 x H 5. Cx ( fast) + α O β CO + γ H O H y 1 x Cx ( slow) + α O β CO + γ H O H y 1 x Πιν. 6.3: Αντιδράσεις αιθάλης στο CDPF, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A Ενέργεια ενεργοποίησης E Επιλεκτικότητα α C + α O 1. 1 α CO + ( 1 α )CO C + α NO. α NO+ ( α ) CO + ( α 1) CO x Στη συνέχεια, εξετάζεται η περίπτωση ενός συστήματος που αποτελείται από έναν DOC και από ένα CDPF κατάντη αυτού. Η σωματιδιακή φόρτιση στην αρχή της συγκεκριμένης αναγέννησης είναι περίπου 8 g/l. Στην Εικ. 6. παρουσιάζονται πειραματικά και αντίστοιχα υπολογιστικά αποτελέσματα του μοντέλου, τα οποία αφορούν στις

139 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 13 θερμοκρασίες σε τρεις διαφορετικές θέσεις κατά μήκος του φίλτρου (Εικ. 6.α), ενώ στην Εικ. 6.β παρουσιάζονται η υπολογισμένη πτώση πίεσης και μάζα αιθάλης και η μετρημένη συγκέντρωση του ΝΟ και του Ο στην είσοδο του φίλτρου Θερμοκρασία [ C] Είσοδος 4 ευτερογενής έγχυση 6 Παροχή Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Χρόνος [s] 7(α) 4 Ρελαντί Παροχή καυσαερίου [kg/h] Aιθάλη p: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Πτώση πίεσης [mbar] Συγκέντρωση ΝΟ [ppm] NO p O Μάζα αιθάλης [g] Συγκέντρωση Ο [%] Χρόνος [s] (β) Εικ. 6.: Ελεγχόμενη αναγέννηση συστήματος DOC+CDPF: (α) μετρημένες και υπολογισμένες θερμοκρασίες στο CDPF και (β) υπολογισμένη πτώση πίεσης, μάζα αιθάλης, και μετρημένες συγκεντρώσεις ΝΟ και Ο στην είσοδο.

140 14 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Η αναγέννηση ξεκινά στη φάση της δευτερογενούς έγχυσης, στην οποία η θερμοκρασία εισόδου αυξάνεται σταδιακά από τους 3 C στους 6 C. Κατά τη διάρκεια της φάσης αυτής παράγεται NO στον DOC ανάντη του CDPF και συνεισφέρει στην αντίδραση της αιθάλης. Ωστόσο, επειδή η θερμοκρασία του DOC είναι μεταξύ 5 C και 6 C η απόδοση παραγωγής του NO είναι σχετικά μικρή και η συγκέντρωση του ΝΟ μειώνεται αισθητά. Η εξωθερμία στο φίλτρο κατά τη δευτερογενή έγχυση περιορίζεται εξαιτίας της σχετικά υψηλής παροχής και της χαμηλής συγκέντρωσης Ο. Όταν η λειτουργία του κινητήρα αλλάζει στη χαμηλή παροχή, οι θερμοκρασίες στο φίλτρο αυξάνονται, οδηγώντας σε υψηλότερους ρυθμούς αντίδρασης. Κατά τη φάση αυτή, ο μηχανισμός αντίδρασης που κυριαρχεί είναι η άμεση αντίδραση της αιθάλης με το Ο. Στην Εικ. 6. παρατηρείται ότι οι θερμοκρασίες και η πτώση πίεσης στο φίλτρο προβλέπονται με ακρίβεια. Αυτό επιτρέπει τη χρήση του μοντέλου ως εργαλείο πρόβλεψης στην περίπτωση ενός συστήματος απλού CDPF. Στην περίπτωση αυτή υποτίθεται ότι η θερμοκρασία εισόδου του CDPF είναι ίση με τη θερμοκρασία στην είσοδο του καταλύτη του συστήματος DOC+CDPF. Το ίδιο ισχύει και για τη σύσταση του καυσαερίου στην είσοδο του CDPF. Η οξείδωση των CO και HC συμβαίνει τώρα μέσα στο CDPF, παράγοντας εξωθερμία στο μπροστινό μέρος του φίλτρου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα διαφορετική εξέλιξη της θερμοκρασίας και της φόρτισης της αιθάλης σε σχέση με το σύστημα DOC+CDPF, παρόλη τη χαμηλότερη θερμοκρασία εισόδου του CDPF, όπως παρουσιάζεται στην Εικ Στην περίπτωση αυτή η θερμοκρασία εισόδου του καυσαερίου προέκυψε από την προσομοίωση του οξειδωτικού καταλύτη ανάντη του CDPF. Η θερμοκρασία αυτή έχει προκύψει με τη μέθοδο της δοκιμής και επαλήθευσης, αφού η μέτρησή της δεν ήταν διαθέσιμη. Σταδιακά, η θερμοκρασία εισόδου του DOC άλλαζε, ώστε η αντίστοιχη στην έξοδό του να προσεγγίζει τη μετρημένη θερμοκρασία εισόδου του CDPF του συστήματος DOC+CDPF που παρουσιάστηκε στην Εικ. 6.. Φυσικά, οι συγκεντρώσεις των αερίων ρύπων CO και HC στην είσοδο του DOC είναι αρκετά μεγάλες (1 & 5 ppm αντίστοιχα), αφού η θερμοκρασία μέσα στον DOC αυξάνεται λόγω της παραγόμενης εξωθερμίας από την καύση των αερίων αυτών.

141 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Θερμοκρασία [ C] Παροχή ευτερογενής έγχυση 4 Είσοδος 4 6 Ρελαντί Παροχή καυσαερίου [kg/h] Χρόνος [s] (α) Aιθάλη Παροχή 18 Πτώση πίεσης [mbar] Παροχή καυσαερίου [kg/h] p Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (β) Εικ. 6.3: Ελεγχόμενη αναγέννηση συστήματος απλού CDPF: (α) υπολογισμένες θερμοκρασίες στο CDPF και (β) υπολογισμένη πτώση πίεσης και μάζα αιθάλης. Στην Εικ. 6.4 παρουσιάζονται οι κατανομές της φόρτισης της αιθάλης και της θερμοκρασίας μέσα στο φίλτρο για να ερμηνευτεί η συμπεριφορά της αναγέννησης. Για λόγους απλοποίησης τα αποτελέσματα περιορίζονται σε ένα δισδιάστατο πλάνο του υπολογιστικού χώρου, το οποίο αναφέρεται στο επίπεδο 45 του αντίστοιχου

142 16 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ τρισδιάστατου χώρου. Τα αντίστοιχα αποτελέσματα σε άλλα πλάνα είναι ποιοτικά παρόμοια. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα της περίπτωσης ενός συστήματος απλού CDPF. Στο σύστημα DOC+CDPF η οξείδωση της αιθάλης είναι αρκετά αργή, και σχετικά ομοιόμορφη αξονικά και ακτινικά μέχρι την αλλαγή στο ρελαντί (t=55 s). Κατόπιν, ο ρυθμός αντίδρασης είναι μεγαλύτερος προς το πίσω μέρος του φίλτρου. Ο ρυθμός αντίδρασης στην περιφέρεια είναι χαμηλότερος εξαιτίας των απωλειών θερμότητας προς το περιβάλλον. Το στρώμα του συνδετικού τσιμέντου παρεμποδίζει αισθητά τη μετάδοση θερμότητας στην ακτινική διεύθυνση, και επομένως στο τέλος της αναγέννησης η αιθάλη στο μικρότερο τεμάχιο έχει αναγεννηθεί ελάχιστα. Στο σύστημα απλού CDPF, η αντίδραση ξεκινά κοντά στο κέντρο του φίλτρου και κινείται προς το τέλος του. Εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο πίσω μέρος του φίλτρου ακόμη και πριν την αλλαγή στο ρελαντί, το τμήμα αυτό καθαρίζεται αποτελεσματικότερα, ακόμη και στην περιφέρεια. Ωστόσο, η αιθάλη στο μπροστινό μέρος του φίλτρου παραμένει σχεδόν ανεπηρέαστη. Γενικά, τα επίπεδα θερμοκρασίας στο απλό CDPF είναι υψηλότερα. Το ίδιο ισχύει για την απόδοση της αναγέννησης, παρόλο που η προκύπτουσα κατανομή της αιθάλης παρουσιάζει σημαντική αξονική ανομοιομορφία.

143 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 17 Σύστημα DOC + CDPF Σύστημα απλού CDPF t=375 s t=45 s t=55 s t=575 s t=6 s Θερμοκρασία [ C] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Θερμοκρασία [ C] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. 6.4: Σύγκριση συστημάτων απλού CDPF και DOC+CDPF: Υπολογισμένα πεδία θερμοκρασίας και τοπικής φόρτισης αιθάλης κατά την ελεγχόμενη αναγέννηση.

144 18 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Για να γίνουν πιο κατανοητές οι εξώθερμες διεργασίες στο CDPF, είναι σκόπιμη η εξέταση των κατανομών των CO και HC κατά μήκος του φίλτρου. Στην περίπτωση του συστήματος DOC+CDPF τo CO και οι HC οξειδώνονται πλήρως στον DOC. Η Εικ. 6.5 παρουσιάζει τις αξονικές κατανομές του CO, των HC και της θερμοκρασίας του καυσαερίου κατά μήκος του DOC. Παρατηρείται ότι η οξείδωση ολοκληρώνεται στα πρώτα 5 mm του μονόλιθου Συγκεντρώσεις CO / HC [ppm] Θερμοκρασία CO 5 5 HC Μήκος μονόλιθου [mm] Θερμοκρασία [ C] Εικ. 6.5: Υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας και συγκεντρώσεων CO και HC στο κανάλι του DOC κατά τη διάρκεια της δευτερογενούς έγχυσης. Στην Εικ. 6.6 παρουσιάζονται αντίστοιχες κατανομές για την περίπτωση του συστήματος απλού CDPF. Και στην περίπτωση αυτή τα CO και HC οξειδώνονται πλήρως κοντά στην είσοδο του φίλτρου. Παρατηρείται επίσης ότι η συγκέντρωση του CO στο κανάλι εξόδου είναι αμελητέα, που σημαίνει ότι το CO που παράγεται λόγω της καύσης της αιθάλης οξειδώνεται πλήρως, καθώς η ροή περνά μέσα από το καταλυτικό τοίχωμα.

145 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Συγκεντρώσεις CO / HC [ppm] CO είσοδος HC είσοδος Θερμοκρασία έξοδος Θερμοκρασία είσοδος Θερμοκρασία [ C] 5 5 CO, HC έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 6.6: Υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας και συγκεντρώσεων CO και HC στα κανάλια του απλού συστήματος CDPF κατά τη διάρκεια της δευτερογενούς έγχυσης. Στην Εικ. 6.7 συγκρίνεται η εξέλιξη της θερμοκρασίας εξόδου καθώς και της μάζας της αιθάλης στο φίλτρο, για τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις, συμπεριλαμβανομένου ενός συστήματος που αποτελείται από έναν DOC και από ένα μη καταλυτικό DPF. Όπως παρατηρείται, στο σύστημα απλού CDPF, ο υψηλός ρυθμός οξείδωσης της αιθάλης κατά τη δευτερογενή έγχυση αφήνει μία σχετικά μικρή ποσότητα παραμένουσας αιθάλης τη χρονική στιγμή που γίνεται η αλλαγή στο ρελαντί. Ως συνέπεια, ο ρυθμός οξείδωσης και οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στη διάρκεια του ρελαντί παραμένουν αρκετά χαμηλά. Αντιθέτως, οι μεγάλοι ρυθμοί οξείδωσης στη δευτερογενή έγχυση στα άλλα δύο συστήματα αφήνουν μία σχετικά μεγάλη ποσότητα αιθάλης τη χρονική στιγμή της αλλαγής στο ρελαντί. Αυτό ευνοεί την οξείδωση της αιθάλης στο ρελαντί. Συνοψίζοντας, η αναγέννηση του συστήματος απλού CDPF συμβαίνει κυρίως κατά τη δευτερογενή έγχυση, ενώ για τα άλλα δύο συστήματα συμβαίνει στο ρελαντί.

146 13 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 9 ευτερογενής έγχυση Ρελαντί 8 7 Θερμοκρασία [ C] 6 5 CDPF DOC+CDPF DOC+DPF Χρόνος [s] (α) ευτερογενής έγχυση Ρελαντί Μάζα αιθάλης [g] 15 1 CDPF DOC+CDPF DOC+DPF Χρόνος [s] (β) Εικ. 6.7: (α): Θερμοκρασιακή εξέλιξη στην έξοδο του φίλτρου και (β): Μάζα αιθάλης στο φίλτρο για 3 διαφορετικές διαμορφώσεις: Σύστημα απλού CDPF, DOC+CDPF και DOC+DPF. Αρχική μάζα αιθάλης: 8 g/l. Στην Εικ. 6.8 παρουσιάζεται σύγκριση των τριών συστημάτων που αφορά τη μέγιστη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της αναγέννησης συναρτήσει της αρχικής φόρτισης της αιθάλης. Στο σύστημα απλού CDPF οι υπολογισμένες μέγιστες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της αναγέννησης είναι υψηλότερες, συγκρινόμενες με τα άλλα δύο συστήματα.

147 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 131 Ταυτόχρονα, το σύστημα απλού CDPF παρουσιάζει μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης αναγέννησης, (τουλάχιστον για λιγότερη από 1 g/l αρχική φόρτιση αιθάλης), όπως παρουσιάζεται στην Εικ Η τάση που φαίνεται σε αυτό το διάγραμμα σε υψηλές αρχικές φορτίσεις αιθάλης εξηγείται στην Εικ. 6.7 και στα συμπεράσματά της. Στην περίπτωση των υψηλών αρχικών φορτίσεων αιθάλης, τα συστήματα με DOC ξεκινούν τη φάση του ρελαντί με πολύ υψηλές φορτίσεις αιθάλης, καταλήγοντας σε υψηλές αποδόσεις αναγέννησης. Για αρχικές φορτίσεις αιθάλης μέχρι 1 g/l, το σύστημα DOC+DPF επιδεικνύει παρόμοιες μέγιστες θερμοκρασίες με το σύστημα DOC+CDPF. Η απόδοση της αναγέννησης είναι μικρότερη εξαιτίας της απουσίας καταλυτικής υποβοήθησης. 11 Μέγιστη θερμοκρασία [ C] CDPF DOC+CDPF DOC+DPF Αρχική φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. 6.8: Υπολογισμένη μέγιστη θερμοκρασία του φίλτρου στην ελεγχόμενη αναγέννηση συναρτήσει της αρχικής φόρτισης αιθάλης για 3 διαφορετικές διαμορφώσεις: Σύστημα απλού CDPF, DOC+CDPF και DOC+DPF.

148 13 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 9 Απόδοση αναγέννησης [%] DOC+CDPF CDPF DOC+DPF Αρχική φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. 6.9: Υπολογισμένη απόδοση αναγέννησης του φίλτρου στην ελεγχόμενη αναγέννηση συναρτήσει της αρχικής φόρτισης αιθάλης για 3 διαφορετικές διαμορφώσεις: Σύστημα απλού CDPF, DOC+CDPF και DOC+DPF Μη ελεγχόμενη αναγέννηση Όπως αναφέρθηκε και στην αρχή της προηγούμενης παραγράφου, μια μη ελεγχόμενη αναγέννηση λαμβάνει χώρα στην περίπτωση μίας σύντομής περιόδου δευτερογενούς έγχυσης, η οποία ακολουθείται από λειτουργία του κινητήρα στο ρελαντί. Τη χρονική στιγμή της αλλαγής στο ρελαντί, η σωματιδιακή φόρτιση στο φίλτρο είναι ακόμη υψηλή, με αποτέλεσμα να ευνοείται ένας ραγδαίος ρυθμός οξείδωσής της, με ανεπαρκή ψύξη από το εισερχόμενο καυσαέριο, λόγω της χαμηλής παροχής. Σε αυτήν την περίπτωση οι αιχμές θερμοκρασίας που αναπτύσσονται στο φίλτρο μπορεί να υπερβούν τα επιτρεπόμενα όρια αντοχής του υλικού του φίλτρου. Ένα τέτοιο σενάριο αναγέννησης παρουσιάζεται στην Εικ. 6.1α για την περίπτωση του συστήματος DOC+CDPF, η οποία παρουσιάζει μετρημένες θερμοκρασίες μέσα στο φίλτρο σε ποικίλες αξονικές θέσεις. Στο ίδιο διάγραμμα περιλαμβάνονται οι αντίστοιχες υπολογισμένες θερμοκρασίες με το τρισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης της αναγέννησης. Και σε αυτή την περίπτωση, η ταύτιση των υπολογισμών με τα πειραματικά δεδομένα είναι ικανοποιητική. Στην Εικ. 6.1β παρουσιάζονται η μετρημένη και η υπολογισμένη πτώση πίεσης καθώς και η υπολογισμένη μάζα αιθάλης μέσα στο φίλτρο κατά την αναγέννηση. Σε αντίθεση με το σενάριο της ελεγχόμενης αναγέννησης, οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του φίλτρου είναι σαφώς υψηλότερες. Λόγω της σύντομής διάρκειας της δευτερογενούς έγχυσης, η αιθάλη δεν οξειδώνεται καθόλου στη φάση αυτή, όπως παρουσιάζεται τόσο από τη γραμμική αύξηση της πτώσης πίεσης, όσο και από τον υπολογισμό της ελάχιστης μάζας αιθάλης που οξειδώνεται μέχρι τη χρονική στιγμή t=37 s, στο τέλος της περιόδου της δευτερογενούς έγχυσης.

149 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ευτερογενής έγχυση Ρελαντί Θερμοκρασία [ C] Παροχή Είσοδος Παροχή καυσαερίου [kg/h] 3 Σημεία: Μέτρηση Γραμμές: Υπολογισμός Χρόνος [s] (α) Aιθάλη p: Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Πτώση πίεσης [mbar] Συγκέντρωση ΝΟ [ppm] p NO O Μάζα αιθάλης [g] Συγκέντρωση Ο [%] Χρόνος [s] (β) Εικ. 6.1: Μη ελεγχόμενη αναγέννηση συστήματος DOC+CDPF: (α) μετρημένες και υπολογισμένες θερμοκρασίες στο CDPF και (β) υπολογισμένη πτώση πίεσης, μάζα αιθάλης, και μετρημένες συγκεντρώσεις ΝΟ και Ο στην είσοδο. Στην Εικ που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για την περίπτωση του συστήματος απλού CDPF. Όπως ήδη αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, το CO και οι HC οξειδώνονται μέσα στο καταλυτικό φίλτρο, στα φάση της δευτερογενούς έγχυσης. Η μέγιστη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του

150 134 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ φίλτρου είναι μόνο κατά περίπου 5 C υψηλότερη σε σχέση με την αντίστοιχη του συστήματος DOC+CDPF της προηγούμενης εικόνας. Σε αυτό λοιπόν το πρωτόκολλο της αναγέννησης η απουσία του DOC δεν επηρεάζει τόσο τη μέγιστη θερμοκρασία, όσο την κατανομή της αιθάλης στο φίλτρο, μετά την ολοκλήρωσή της, όπως παρουσιάζεται και αναλύεται στην Εικ. 6.1 που ακολουθεί ευτερογενής έγχυση Ρελαντί Θερμοκρασία [ C] Είσοδος Παροχή Παροχή καυσαερίου [kg/h] Χρόνος [s] (α) Aιθάλη Πτώση πίεσης [mbar] Παροχή καυσαερίου [kg/h] p Παροχή Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (β) Εικ. 6.11: Μη Ελεγχόμενη αναγέννηση συστήματος απλού CDPF: (α) υπολογισμένες θερμοκρασίες στο CDPF και (β) υπολογισμένη πτώση πίεσης και μάζα αιθάλης.

151 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 135 Στην Εικ. 6.1 παρουσιάζονται τα υπολογισμένα πεδία θερμοκρασίας και φόρτισης αιθάλης στην αναγέννηση. Στο δεξιό μισό της ίδιας εικόνας συμπεριλαμβάνονται τα αποτελέσματα του μοντέλου για την περίπτωση του συστήματος απλού CDPF που λειτουργεί υπό τις ίδιες συνθήκες της Εικ Και στις δύο περιπτώσεις η οξείδωση της αιθάλης είναι αμελητέα κατά τη διάρκεια της σύντομης δευτερογενούς έγχυσης. Στην περίπτωση του συστήματος DOC+CDPF, αμέσως μετά την αλλαγή στο ρελαντί, η κατανάλωση της αιθάλης ξεκινά από το μπροστινό μέρος του φίλτρου. Το πίσω μέρος του δεν είναι ακόμη επαρκώς θερμό, εξαιτίας της θερμικής αδράνειας του φίλτρου. Καθώς η θερμοκρασία στο πίσω μέρος υπερβαίνει τους 6 C, ο τοπικός ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται ραγδαία, οδηγώντας σε μία αιχμή υψηλής θερμοκρασίας και ολοκληρώνοντας σχεδόν το τοπικό καθάρισμα του φίλτρου στην περίοδο μεταξύ των 38 και 4 s. Εξαίρεση αποτελεί το τμήμα του φίλτρου που αντιστοιχεί στο μικρό τεμάχιο στην περιφέρεια. Στην περιοχή αυτή η θερμοκρασία δεν είναι αρκετά υψηλή για να εξασφαλίσει πλήρη αναγέννηση. Από τη μία, αυτό συμβαίνει εξαιτίας των απωλειών θερμότητας και του θερμικού οριακού στρώματος στην είσοδο του φίλτρου. Από την άλλη, η θερμότητα που παράγεται στον πυρήνα του φίλτρου δε μεταδίδεται αποτελεσματικά στην περιφέρεια εξαιτίας της μονωτικής δράσης του συγκολλητικού στρώματος τσιμέντου. Στην περίπτωση του συστήματος απλού CDPF, η αναγέννηση φαίνεται να εξελίσσεται διαφορετικά. Η απουσία του DOC ανάντη του CDPF οδηγεί σε πιο γρήγορη θέρμανσή του, στο οποίο οξειδώνονται επίσης το CO και οι HC του καυσαερίου. Ως αποτέλεσμα, οι θερμοκρασίες είναι αρχικά μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες του συστήματος DOC+CDPF (π.χ. για τη χρονική στιγμή t=37 s). Ταυτόχρονα, η οξείδωση της αιθάλης είναι εντονότερη στο κεντρικό μέρος του φίλτρου. Αυτό προφανώς σχετίζεται με την παραγωγή θερμότητας λόγω της οξείδωσης των CO και HC στο φίλτρο. Στη συνέχεια, οι μέγιστες θερμοκρασίες και η οξείδωση της αιθάλης κινούνται προς το πίσω μέρος του φίλτρου, οδηγώντας σε μία τοπική πλήρη κατανάλωση της αιθάλης τη χρονική στιγμή t=38 s. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι εξαιτίας των υψηλότερων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται, η θερμότητα καταφέρνει να μεταδοθεί μέσα από το στρώμα του τσιμέντου, τουλάχιστον κοντά στο κέντρο του φίλτρου, και να οξειδώσει ορισμένη ποσότητα αιθάλης κοντά στην περιφέρεια. Στο μπροστινό μέρος του φίλτρου παραμένει αιθάλη που δεν οξειδώθηκε.

152 136 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σύστημα DOC + CDPF Σύστημα απλού CDPF t=36 s t=37 s t=38 s t=4 s t=4 s Θερμοκρασία [ C] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Θερμοκρασία [ C] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. 6.1: Σύγκριση συστημάτων απλού CDPF και DOC+CDPF: Υπολογισμένα πεδία θερμοκρασίας και τοπικής φόρτισης αιθάλης κατά τη μη ελεγχόμενη αναγέννηση.

153 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 137 Στην Εικ παρουσιάζεται η σύγκριση των τριών συστημάτων, όσον αφορά στη μέγιστη θερμοκρασία στην αναγέννηση, συναρτήσει της αρχικής φόρτισης της αιθάλης. Στο σύστημα απλού CDPF οι υπολογισμένες μέγιστες θερμοκρασίες κατά την αναγέννηση είναι ελαφρώς υψηλότερες σε σχέση με τις αντίστοιχες του συστήματος DOC+CDPF. Και στις δύο περιπτώσεις, η απόδοση της αναγέννησης είναι αρκετά υψηλή, όπως φαίνεται στην Εικ Η απόδοση του συστήματος απλού CDPF είναι ελαφρώς μικρότερη, εξαιτίας της αιθάλης που παραμένει κοντά στην είσοδο του φίλτρου. Μέγιστη θερμοκρασία [ C] CDPF DOC+CDPF DOC+DPF Αρχική φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. 6.13: Υπολογισμένη μέγιστη θερμοκρασία του φίλτρου στη μη ελεγχόμενη αναγέννηση συναρτήσει της αρχικής φόρτισης αιθάλης για 3 διαφορετικές διαμορφώσεις: Σύστημα απλού CDPF, DOC+CDPF και DOC+DPF.

154 138 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 1 Απόδοση αναγέννησης [%] CDPF DOC+CDPF DOC+DPF Αρχική φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. 6.14: Υπολογισμένη απόδοση αναγέννησης του φίλτρου στη μη ελεγχόμενη αναγέννηση συναρτήσει της αρχικής φόρτισης αιθάλης για 3 διαφορετικές διαμορφώσεις: Σύστημα απλού CDPF, DOC+CDPF και DOC+DPF. 6.4 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε η διαδικασία της αναγέννησης ενός φορτισμένου καταλυτικού φίλτρου υπό υψηλή θερμοκρασία. Η αύξηση της θερμοκρασίας του καυσαερίου στην είσοδο του φίλτρου επιτυγχάνεται με δευτερογενή έγχυση καυσίμου, το οποίο οξειδώνεται στον DOC ανάντη του CDPF. H μελέτη που παρουσιάστηκε υιοθέτησε αφαίρεση του DOC από το σύστημα αντιρρύπανσης. Το σύστημα του απλού CDPF παρουσιάζει συγκεκριμένες ιδιομορφίες, αφού μία μεγάλη ποσότητα των αερίων εκπομπών του καυσαερίου οξειδώνεται στο τοίχωμα του φίλτρου. Συγκρινόμενο με τυπικά συστήματα με οξειδωτικό καταλύτη ανάντη, επηρεάζονται αισθητά o χρονισμός και η απόδοση της αναγέννησης, και η θερμική φόρτιση του φίλτρου. Η σύγκριση έγινε με τη βοήθεια κατάλληλων σχεδιασμένων πειραμάτων και με προσομοίωση αυτών με τη βοήθεια του μαθηματικού μοντέλου τρισδιάστατης προσομοίωσης του καταλυτικού φίλτρου. Η μελέτη βασίστηκε σε δύο σενάρια αναγέννησης, με διαφορετική διάρκεια δευτερογενούς έγχυσης. Στην περίπτωση της ελεγχόμενης αναγέννησης με παρατεταμένη δευτερογενή έγχυση, το σύστημα απλού CDPF επιτυγχάνει μεγαλύτερη απόδοση αναγέννησης, σε σχέση με το σύστημα DOC+CDPF. Αυτό συνοδεύεται από υψηλότερες θερμοκρασίες στο φίλτρο, οι οποίες παρόλα αυτά, παραμένουν κάτω από τα κρίσιμα όρια καταστροφής του φίλτρου, εξαιτίας της επαρκούς ψύξης κατά τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας. Στην περίπτωση της μη ελεγχόμενης αναγέννησης με σύντομη περίοδο δευτερογενούς έγχυσης, το σύστημα απλού CDPF αρχικά επιδεικνύει μία τοπική αιχμή θερμοκρασίας κοντά στο κέντρο του φίλτρου εξαιτίας της συνδυασμένης δράσης της οξείδωσης των CO και HC του καυσαερίου και της καύσης της αιθάλης. Παρόλο που οι κατανομές των πεδίων της αιθάλης και της θερμοκρασίας είναι διαφορετικές από τις αντίστοιχες του

155 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 139 συστήματος DOC+CDPF, οι μέγιστες θερμοκρασίες διαφέρουν λιγότερο από 1 C μεταξύ των δύο συστημάτων. Και στις δύο περιπτώσεις η απόδοση της αναγέννησης είναι αρκετά υψηλή. Η απόδοση του συστήματος απλού CDPF είναι ελαφρώς μικρότερη εξαιτίας της εναπομένουσας αιθάλης κοντά στην είσοδο του φίλτρου. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα του κεφαλαίου αυτού δείχνουν ότι αν η φόρτιση της αιθάλης ελέγχεται σε επίπεδα κάτω από ένα προσεκτικά επιλεγμένο όριο (στα 8 g/l περίπου) μέσω του συστήματος ελέγχου της αναγέννησης, τότε τα δύο συστήματα επιδεικνύουν συγκρίσιμες αποδόσεις και μέγιστες θερμοκρασίες. Το σύστημα απλού CDPF είναι μία βιώσιμη και οικονομική επιλογή, αφού το κόστος των καταλυτικών συστημάτων σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα των ευγενών μετάλλων που χρησιμοποιούνται. Ενδεχομένως, απαιτούνται πρόσθετες διερευνήσεις για την εύρεση εναλλακτικών λύσεων, που βελτιστοποιούν την κατανομή των ευγενών μετάλλων αξονικά κατά μήκος του συστήματος απλού CDPF. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία αντίστοιχη διερεύνηση, όπου το καταλυτικό φίλτρο χωρίζεται σε ζώνες με διαφορετική ποσότητα ευγενών μετάλλων σε κάθε μία.

156 14 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Banno Y., Tanak Y., Hihara T. and Nagata M., 4. Pre-filter Diesel Oxidation Catalyst Development for DOC-CSF System. SAE paper Koltsakis G. C., Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Samaras Z. C., Vogt C. D., Ohara E., Watanabe Y., Mizutani T., 5. Performance of Catalyzed Particulate Filters without Upstream Diesel Oxidation Catalyst. SAE paper Mizutani T., Watanabe Y., Yuuki K., Hashimoto S., Hamanaka T. and Kawashima J., 4. Soot Regeneration Model for SiC-DPF System Design. SAE paper Maly M., Claussen M., Carlowitz O., Kroner P., Ranalli M. and Schmidt S., 4. Influence of the Nitrogen Dioxide Based Regeneration on Soot Distribution. SAE paper Koltsakis G. C., Haralampous O. A., Margaritis N. K., Samaras Z. C., Vogt C. D., Ohara E., Watanabe Y., Mizutani T., 5. 3-Dimensional Modeling of the Regeneration in SiC Particulate Filters. SAE paper Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Koltsakis G. C., Samaras Z. C., 4. Study of Catalytic Regeneration in Diesel Particulate Filters using Coupled Reaction-Diffusion Modeling. SAE paper

157 7 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 7.1 Εισαγωγή Η ανάγκη για μείωση του κόστους υπαγορεύει βέλτιστη χρησιμοποίηση του καταλύτη ευγενών μετάλλων που εφαρμόζεται στο φίλτρο. Με δεδομένο το γεγονός αυτό θα μπορούσε να εφαρμοστεί η καταλυτική επίστρωση αξονικά ανομοιόμορφα, κατασκευάζοντας έτσι φίλτρο χωρισμένο σε ζώνες διαφορετικής δραστικότητας. Στο παρόν κεφάλαιο εξετάζεται καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων, στο οποίο η φόρτιση των ευγενών μετάλλων είναι αξονικά ανομοιόμορφη τοποθετημένη κατά μήκος του φίλτρου. Στην εργασία των Punke et.al. [1] έχει προταθεί ότι η αξονικά ανομοιόμορφη κατανομή της καταλυτικής επίστρωσης στο φίλτρο θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση μετατροπής των CO και HC κατά την ψυχρή εκκίνηση σε νομοθετημένους κύκλούς οδήγησης. Η τεχνολογία αυτή, συνήθως εφαρμόζεται τοποθετώντας μεγαλύτερη ποσότητα ευγενών μετάλλων στο μπροστινό μέρος του φίλτρου, το οποίο υπερισχύει κατά τη κρίσιμη για τη μείωση των αέριων εκπομπών φάση της θέρμανσης του φίλτρου. Ο χωρισμός του CDPF σε ζώνες προσφέρει επιπλέον βαθμούς ελευθερίας στο σχεδιασμό οικονομικών καταλυτικών φίλτρών, λαμβάνοντας υπόψη το υψηλό κόστος των ευγενών μετάλλων. Με δεδομένο αυτό, είναι δυνατόν η μαθηματική μοντελοποίηση μίας τέτοιας λειτουργίας του φίλτρου να υποστηρίξει τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού, για να ελαχιστοποιηθούν οι απαιτούμενες πειραματικές δοκιμές. Η μελέτη που ακολουθεί βασίζεται σε πειραματική και υπολογιστική βάση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε κινητήρες στο ΕΕΘ και στην εταιρία DAIMLER AG. Οι μετρήσεις περιλαμβάνουν μελέτη της καταλυτικής οξειδωτικής δραστηριότητας, της παθητικής αναγέννησης υπό χαμηλή θερμοκρασία και της ενεργητικής αναγέννησης με δευτερογενή έγχυση τριών φίλτρων. Τα δύο φίλτρα είναι με ομοιόμορφη καταλυτική επικάλυψη, αλλά με διαφορετική ποσότητα ευγενών μετάλλων μεταξύ τους. Το τρίτο, είναι επικαλυμμένο με τετραπλάσια ποσότητα καταλύτη στο μπροστινό του μισό, απ ότι στο δεύτερο. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται έχει ήδη παρουσιαστεί στα [, 3, 4, 5]. Η προσομοίωση της συμπεριφοράς ενός χωρισμένου σε ζώνες φίλτρου προϋποθέτει να ληφθούν υπόψη οι σύνθετες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φαινομένων της αντίδρασης και της μεταφοράς μάζας στο κανάλι του φίλτρου, σε συνδυασμό με την επίδραση της ανομοιόμορφης διαπερατότητας του τοιχώματος, όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Dardiotis et al. [6]. Το μαθηματικό μοντέλο επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραματικών δεδομένων και στη συνέχεια εφαρμόζεται σε υπολογιστική μελέτη νομοθετημένου κύκλου οδήγησης, όπως παρουσιάστηκε στην εργασία των Koltsakis et al. [7]. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται το μοντέλο του CDPF για την προσομοίωση της λειτουργίας του χωρισμένου σε ζώνες CDPF (zcdpf) ως οξειδωτικό καταλύτη για να γίνουν συγκρίσεις υπό μεταβατικές συνθήκες θέρμανσης (ψυχρή εκκίνηση) και ψύξης του φίλτρου. 7. Πειραματική διάταξη Ο χαρακτηρισμός της θερμοκρασίας ενεργοποίησης (light-off temperature) του καταλύτη καθώς και οι αναγεννήσεις χαμηλής θερμοκρασίας, πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική

158 14 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ διάταξη του ΕΕΘ. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε έναν κινητήρα diesel άμεσης έγχυσης χωρητικότητας 1.9 l υπερτροφοδοτούμενο, με ανακυκλοφορία του καυσαερίου. Ο κινητήρας ήταν συνδεδεμένος με δυναμόμετρο δινορευμάτων. Ο αρχικός οξειδωτικός καταλύτης του κατασκευαστή του κινητήρα απομακρύνθηκε και στη θέση του τοποθετήθηκε το αντίστοιχο σύστημα αντιρρύπανσης, αποτελούμενο από το εκάστοτε CDPF. Περισσότερα για την πειραματική διάταξη του ΕΕΘ παρουσιάζονται στο Παράρτημα C. Οι ελεγχόμενες αναγεννήσεις σε υψηλή θερμοκρασία πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια ενός κινητήρα Mercedes-Benz 6 κυλίνδρων σε διάταξη V, 3. l, ονομαστικής ισχύος 155 kw, ο οποίος ήταν εξοπλισμένος με οξειδωτικό καταλύτη και το εκάστοτε CDPF. O DOC και το CDPF ήταν κανιστραρισμένα σε κοινό περίβλημα σε θέση κοντά στην έξοδο του στροβίλου (closed-coupled). Επιπλέον μέσα στο φίλτρο υπήρχαν τοποθετημένα θερμοστοιχεία στην αξονική και ακτινική διεύθυνση. Οι μετρήσεις αυτών των αναγεννήσεων πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο της εταιρίας DAIMLER AG [8]. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων καταγράφονταν με συχνότητα 1Hz η πτώση πίεσης, η θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις των αερίων συστατικών του καυσαερίου ανάντη και κατάντη του φίλτρου Φίλτρα σωματιδίων που χρησιμοποιήθηκαν Τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν στις μετρήσεις του κεφαλαίου αυτού προέρχονται από την εταιρία IBIDEN CO LTD [9]. Το υλικό κατασκευής του υποστρώματός τους είναι το SiC με διάμετρο 144 mm και μήκος 15 mm. Η πυκνότητα των κελιών είναι 8 cpsi και το πάχος του τοιχώματος 1 mils (.54 mm). Η δομή των κελιών των φίλτρων είναι ασύμμετρη, δηλαδή η υδραυλική διάμετρος των καναλιών εισόδου είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη των καναλιών εξόδου, έτσι ώστε να αποφεύγεται η αύξηση της πτώσης πίεσης λόγω της συσσώρευσης στάχτης. Περισσότερα για τον τύπο των φίλτρων αυτών, παρουσιάζονται στην εργασία των Ogyu et al. [1]. Το CDPF με την ανομοιόμορφη κατανομή καταλύτη (zoned-cdpf ή Z-CDPF) που χρησιμοποιείται στο παρόν κεφάλαιο περιέχει διαφορετική ποσότητα φόρτισης ευγενών μετάλλων στο μπροστινό του μισό, σε σχέση με το αντίστοιχο πίσω. Επομένως, είναι αδύνατη η ρύθμιση των κινητικών των αντιδράσεων κάθε υποστρώματος ξεχωριστά με τη χρήση πειραμάτων πλήρους κλίμακας του Z-CDPF. Για τη ρύθμιση των αντιδράσεων του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν δύο επιπλέον CDPF, με αξονικά ομοιόμορφη κατανομή ευγενών μετάλλων. Το πρώτο φίλτρο (F-CDPF) ήταν ομοιόμορφα επικαλυμμένο με το υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκε στο μπροστινό μέρος του Z-CDPF. Αντιθέτως, το δεύτερο φίλτρο (R-CDPF) ήταν ομοιόμορφα επικαλυμμένο με το υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκε στο πίσω μέρος του Z-CDPF. Στον Πιν. 7.1 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα βασικά γεωμετρικά και άλλα χαρακτηριστικά των CDPF που εξετάζονται στο παρόν κεφάλαιο. Τα ευγενή μέταλλα της καταλυτικής επικάλυψης είναι η Pt (Πλατίνα) και το Pd (Παλλάδιο) σε αναλογία :1.

159 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 143 Πιν. 7.1: Γεωμετρικές ιδιότητες των φίλτρων της IBIDEN. Ιδιότητα F-CDPF R-CDPF Z-CDPF Υλικό υποστρώματος Διάμετρος φίλτρου Μήκος φίλτρου Μήκος βύσματος SiC.144 m.156 m.35 m Πυκνότητα κελιών 8 cells/in Πάχος τοιχώματος.54 x 1-4 m Πυκνότητα υποστρώματος kg/m 3 Μέσο μέγεθος πόρων 13. x 1-6 m Πορώδες 4% Διαπερατότητα καθαρού υποστρώματος Χωρητικότητα του υποστρώματος σε αιθάλη και αντίστοιχη διαπερατότητα Φόρτιση καταλυτικής επικάλυψης 7 x 1-13 m 1.3 g/l / 1.3 x 1-14 m 4 g/l Φόρτιση Pt 6 g/cft 15 g/cft 37.5 g/cft Πριν τις μετρήσεις, όλα τα φίλτρα υπέστησαν γήρανση στους 7 C για 16 h παρουσία υδρατμών (1% Η Ο). 7.3 Ρύθμιση κινητικών χαρακτηρισμός θερμοκρασίας ενεργοποίησης Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται οι μετρήσεις που έγιναν στην πειραματική διάταξη του ΕΕΘ, με σκοπό τη ρύθμιση των κινητικών και το χαρακτηρισμό της θερμοκρασίας ενεργοποίησης των φίλτρων που εξετάζονται. Για να προσδιοριστεί η αποδοτικότητα των συγκεκριμένων επικαλύψεων ήταν απαραίτητη η ρύθμιση των προ-εκθετικών όρων που εμφανίζονται στις εκφράσεις των ρυθμών των οξειδωτικών αντιδράσεων των CO, NO και

160 144 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ HC. Η ρύθμιση βασίστηκε σε απλά πειράματα θέρμανσης ψύξης του φίλτρου που πραγματοποιήθηκαν στον κινητήρα, ο οποίος ήταν συνδεδεμένος με δυναμόμετρο. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων αυτών ήταν τοποθετημένο ανάντη του προς μέτρηση CDPF ένα μη καταλυτικό DPF. Το τελευταίο ήταν υπεύθυνο για την κατακράτηση όλων των στερεών σωματιδίων του κινητήρα, αποτρέποντας έτσι οποιαδήποτε επίδραση της αιθάλης κατά τη διάρκεια της δοκιμής θέρμανσης ψύξης του φίλτρου. Το πρωτόκολλο μέτρησης περιλάμβανε μία αρχική φάση θέρμανσης διάρκειας 5 s, στο τέλος της οποίας η θερμοκρασία εισόδου του φίλτρου έφτασε της περίπου 13 C. Τη χρονική στιγμή t=5 s, η ροπή του κινητήρα αυξάνεται ραγδαία, με τον τελευταίο να λειτουργεί στις 15 rpm. Η ραγδαία αύξηση της ροπής έχει ως αποτέλεσμα μία βαθμιαία αύξηση της θερμοκρασίας στην είσοδο του φίλτρου. Η θερμοχωρητικότητα του τοποθετημένου ανάντη DPF είναι ευεργετική στην αργή αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία είναι χρήσιμη στην εύκολη διάκριση της θερμοκρασίας ενεργοποίησης του καταλύτη. Ο κινητήρας λειτουργεί στο σημείο της υψηλής ροπής μέχρι η θερμοκρασία εισόδου του καυσαερίου σταθεροποιηθεί στην τελική της τιμή. Η παροχή του καυσαερίου κατά τη διάρκεια της λειτουργίας αυτής είναι 1 kg/h, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. 7.1α. Στη συνέχεια η ροπή του κινητήρα αλλάζει βηματικά σε μία χαμηλή τιμή με συνεπαγόμενη μείωση της θερμοκρασίας έως ότου επιτευχθεί η σταθερή θερμοκρασία των 13 C. Η παροχή του καυσαερίου κατά τη διάρκεια της λειτουργίας αυτής είναι 65 kg/h. Η δοκιμή της θέρμανσης επαναλήφθηκε με λίγο διαφορετικό πρωτόκολλο λειτουργίας. Σύμφωνα με το τελευταίο, ο κινητήρας κατά τη φάση της θέρμανσης λειτουργούσε στις 35 rpm με την παροχή του καυσαερίου να είναι ίση με 8 kg/h, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. 7.1β. Στην περίπτωση αυτή η θέρμανση του φίλτρου έγινε πιο γρήγορα, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα επαλήθευσης του μοντέλου σε ποικίλες συνθήκες λειτουργίας. Πριν τη ρύθμιση των παραμέτρων του μοντέλου αντίδρασης είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι η πρόβλεψη των θερμοκρασιών από το μοντέλο είναι ακριβής. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην περίπτωση των μεταβατικών δοκιμών, όπως αυτών που εξετάζονται στην παρούσα παράγραφο. Στην Εικ. 7.1 παρουσιάζεται η σύγκριση των μετρημένων και υπολογισμένων θερμοκρασιών του CDPF στη δοκιμή της θέρμανσης, η συμφωνία των οποίων είναι ικανοποιητική. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζονται επίσης οι μετρημένες και υπολογισμένες θερμοκρασίες κοντά στην περιφέρεια του φίλτρου. Η συμπερίληψη αυτής της ακτινικής διαφοράς θερμοκρασίας (της τάξεως των C στη συγκεκριμένη δοκιμή), είναι σημαντική για τον ορθό προσδιορισμό των θερμοκρασιακά ευαίσθητων κινητικών των αντιδράσεων.

161 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Θερμοκρασία [ C] Είσοδος Έξοδος περιφέρεια Είσοδος περιφέρεια Έξοδος κέντρο Παροχή καυσαερίου [kg/h] 15 Παροχή Χρόνος [s] (α) 45 Είσοδος Έξοδος κέντρο Θερμοκρασία [ C] Έξοδος περιφέρεια Είσοδος περιφέρεια Παροχή καυσαερίου [kg/h] 15 Παροχή Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.1: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) θερμοκρασίες στο φίλτρο κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου θέρμανσης ψύξης στις (α) 15 rpm και (β) 35 rpm. Στον Πιν. 7. που ακολουθούν παρουσιάζεται το σχήμα οξειδωτικών και αναγωγικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο καταλυτικό τοίχωμα των φίλτρων, καθώς επίσης ο προεκθετικός όρος A και η ενέργεια ενεργοποίησης E του κάθε ρυθμού αντίδρασης. Οι αναγωγικές αντιδράσεις των HC με το ΝΟ συμμετέχουν στο σχήμα γιατί μετρήθηκε

162 146 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ παραγωγή ΝΟ στις χαμηλές θερμοκρασίες. Η συμπεριφορά αυτή οφείλεται στην αντίδραση των προσροφημένων στο καταλυτικό υπόστρωμα HC με το ΝΟ, αφού η καταλυτική επικάλυψη των CDPF περιέχει και ζεόλιθο, όπως θα αναλυθεί και στη συνέχεια. Περισσότερα για το σχήμα των καταλυτικών αντιδράσεων αναφέρονται στην παράγραφο 5. του παραρτήματος Α. Πιν. 7.: Αντιδράσεις στο τοίχωμα των F-CDPF και R-CDPF, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. A/A Αντίδραση F-CDPF R-CDPF 1. 1 NO + O NO 5 x 1 1 / x 1 1 / CO + O CO 1.4 x 1 18 / 9 3 x 1 17 / O H O 1.4 x 1 18 / 9 3 x 1 17 / 9 H 4. H + 4 O 3 CO 4 H O 3 x 1 17 / 14 x 1 17 / 14 C H 6 + O 3 CO 3 H O x 1 19 / 11 8 x 1 18 / 11 C H + 9 O 7 CO 4 H O x 1 19 / 11 8 x 1 18 / 11 C H + O 1 CO 11 H O x 1 19 / 11 8 x 1 18 / 11 C C H 3 6 3CO + 9NO + 3H + 9NO 1 x 1 1 / x 1 11 / C7H8 + 18NO 9. 1 x 1 1 / x 1 11 / 7CO + 4H + 18NO 1. C 1 H 1CO + 31NO + 11H + 31NO 1 x 1 1 / x 1 11 / Εκτός από τις παραπάνω αντιδράσεις, στο μοντέλο του CDPF περιλαμβάνονται τρεις ακόμη, οι οποίες περιγράφουν την ιδιότητα του υποστρώματος του να προσροφά H O και HC σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το υλικό που περιέχει η καταλυτική επικάλυψη του CDPF και έχει την ιδιότητα αυτή, είναι ο ζεόλιθος. Στον Πιν. 7.3 παρουσιάζονται οι αντιδράσεις

163 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 147 προσρόφησης εκρόφησης του μοντέλου του CDPF. Σε αυτές τις αντιδράσεις πρέπει να ρυθμιστούν εκτός από το A και το E, ο συντελεστής έλξης β της εξίσωσης (A.91) ο ποίος εξαρτάται από την προσροφημένη ουσία. Επιπλέον πρέπει να δηλωθούν στο μοντέλο ο όρος W, ο οποίο ς είναι ο συνολικός όγκος όλων των μικροπόρων ανά όγκο φίλτρου [m 3 /m 3 ] και ο όρος A, ο οποίος είναι μία χαρακτηριστική σταθερά της κατανομής του μεγέθους των πόρων [mol/j]. Οι τιμές που χρησιμοποιήθηκαν για τους δύο τελευταίους όρους είναι.5 και 5 x 1-1 αντίστοιχα. Η επιλογή τους έγινε με βάση προηγούμενη εμπειρία, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Pontikakis et al. [ 11]. Περισσότερα για το σχήμα των αντιδράσεων προσρόφησης εκρόφησης αναφέρονται στην παράγραφο 5.3 του παραρτήματος Α. Πιν. 7.3 : Αντιδράσεις προσρόφησης εκρόφησης στο μοντέλο του CDPF, προεκθετικοί όροι, ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους και συντελεστής έλξης. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A F-CDPF Προεκθετικός όρος A R-CDPF Ενέργεια ενεργοποίησης E Συντελεστής έλξης β 1. H O H O () l 4 x x C7H 8 C H 7 8 () l 1.4 x x C1H C H 1 () l 4 x 1 4 x Η Εικ. 7. παρουσιάζει τα πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα της δοκιμής θέρμανσης του F-CDPF στην υψηλή και χαμηλή παροχή, μετά τη ρύθμιση των παραμέτρων των κινητικών των αντιδράσεων οξείδωσης του CO. Στην αρχή της μέτρησης το υπόστρωμα του φίλτρου είναι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι συγκεντρώσεις εισόδου και εξόδου είναι περίπου ίσες, αφού η καταλυτική επίστρωση δεν έχει ενεργοποιηθεί ακόμη. Μόλις αρχίσει η λειτουργία του κινητήρα στο πλήρες φορτίο, περίπου 5 s μετά την έναρξη του κάθε πρωτοκόλλου, το υπόστρωμα θερμαίνεται ραγδαία από το θερμό καυσαέριο που εισέρχεται στο φίλτρο. Η καταλυτική επικάλυψη αμέσως ενεργοποιείται, οξειδώνοντας το CO, σε ποσοστό 1%, αφού η συγκέντρωσή του πρακτικά μηδενίζεται στην έξοδο του φίλτρου. Η ρύθμιση του προεκθετικού όρου της οξείδωσης του CO έχει γίνει με βάση την αντίστροφη λειτουργία, κατά την ψύξη του κινητήρα, η οποία γίνεται υπό λιγότερο απότομες συνθήκες από τη θέρμανση. Σε κάθε περίπτωση, το μοντέλο προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια τη μετρημένη συγκέντρωση του CO στην έξοδο του φίλτρου.

164 148 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ F-CDPF οκιμή θέρμανσης - Χαμηλή παροχή - CO Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Θερμοκρασία CO είσοδος CO έξοδος CO: Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός Παροχή Συγκέντρωση CO [ppm] Χρόνος [s] (α) F-CDPF οκιμή θέρμανσης - Υψηλή παροχή - CO 45 4 CO: Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός 4 35 Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Παροχή Θερμοκρασία CO έξοδος CO είσοδος Συγκέντρωση CO [ppm] Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.: Μέτρηση και υπολογισμός για το CO κατά τη διάρκεια της δοκιμής θέρμανσης ψύξης για το φίλτρο F-CDPF στις: (α) 15 rpm και (β) 35 rpm. Στην Εικ. 7.3 που ακολουθεί, παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για την περίπτωση των HC. Παρατηρώντας την καμπύλη των HC κατά τη φάση της ψυχρής εκκίνησης φαίνεται ότι οι υδρογονάνθρακες προσροφώνται αρχικά στο υπόστρωμα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται λόγω της λειτουργίας του κινητήρα σε υψηλή παροχή

165 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 149 στη φάση της θέρμανσης, οι προσροφημένοι υδρογονάνθρακες απελευθερώνονται και στη συνέχεια οξειδώνονται. Η εκρόφηση των HC είναι εμφανής από την αιχμή που παρατηρείται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης του φίλτρου. Πριν την αλλαγή στη λειτουργία της ψύξης το υπόστρωμα είναι εμφανώς πλήρως καθαρισμένο από προσροφημένες χημικές ενώσεις εξαιτίας της παρατεταμένης λειτουργίας σε υψηλή θερμοκρασία. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται σταδιακά κατά τη λειτουργία της ψύξης, αναμένεται ότι οι υδρογονάνθρακες θα ξανά προσροφηθούν στο υπόστρωμα. Ο προεκθετικός όρος των αντιδράσεων εκρόφησης προσρόφησης ( και 3 του Πιν. 7.3) έχουν ρυθμιστεί με βάση την αιχμή εκρόφησης των HC που παρουσιάζεται στα αντίστοιχα διαγράμματα στην αρχή της φάσης της θέρμανσης. Αντιθέτως, οι αντιδράσεις οξείδωσης (4 έως 7 του Πιν. 7.) έχουν προκύψει από τη φάση της λειτουργίας ψύξης του φίλτρου, όπως έγινε για την αντίστοιχη οξείδωση του CO. Συνήθως στη μοντελοποίηση της οξείδωσης των HC, εκφράζονται ως αναλογία γρήγορων και αργών υδρογονανθράκων. Στην περίπτωση όπου υπάρχει ζεόλιθος στην καταλυτική επικάλυψη, όπως στα συγκεκριμένα φίλτρα, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι διαφορές στη συμπεριφορά κατά την προσρόφηση των ποικίλων HC που υπάρχουν στο καυσαέριο των diesel κινητήρων. Επομένως, και στο παρόν κεφάλαιο η συγκέντρωση εισόδου των HC εκφράζεται ως αναλογία τεσσάρων υδρογονανθράκων σε συγκεκριμένο ποσοστό των συνολικών. Οι HC που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής: Δεκάνιο (C 1 H ) 3%, Τολουένιο (C 7 H 8 ) 3%, Προπένιο (C 3 H 6 ) % και Προπάνιο (C 3 H 8 ) % των συνολικών HC εισόδου. Οι τρεις πρώτοι είναι γρήγοροι HC, οξειδώνονται δηλαδή στις θερμοκρασίες που μετρώνται, ενώ ο τελευταίος αντιπροσωπεύει τους αργούς HC. Το ποσοστό του προπανίου (%) έχει προκύψει από την ελάχιστη συγκέντρωση των HC στη μέγιστη θερμοκρασία (Εικ. 7.3α, τη χρονική στιγμή 1 s). Αντίστοιχα, τα ποσοστά των HC που προσροφώνται (Δεκάνιο και Τολουένιο) έχουν προκύψει από τη συγκέντρωση των HC στην αρχή της μέτρησης, στα πρώτα 5 s, όπου οι δύο αυτοί HC προσροφώνται πλήρως σε αυτή τη θερμοκρασία. Στην Εικ. 7.3β οι HC που προβλέπονται στην έναρξη του πρωτοκόλλου κατά την προσρόφηση είναι υπό εκτιμημένα. Οι αρχικές συνθήκες όσον αφορά στη χωρητικότητα του υποστρώματος σε προσροφημένους HC έχουν προκύψει από τις αντίστοιχες τελικές του προηγούμενου πρωτοκόλλου της Εικ. 7.3α. Αυτό που ενδεχομένως να μην είναι πλήρως σωστό, είναι η συγκέντρωση των HC στην είσοδο του φίλτρου. Γενικά ο κινητήρας έχει σταθερές εκπομπές HC, οι οποίες εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του θαλάμου καύσης. Επειδή δεν ήταν δυνατή η μέτρηση των HC στην είσοδο στη διάρκεια της κάθε μέτρησης λόγω της χρήσης μόνο ενός αναλυτή HC, η αντίστοιχη συγκέντρωση της εισόδου έχει προκύψει από μέτρηση υπό τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, κάποια άλλη μέρα. Οπότε, η διαφορά των υπολογισμένων και μετρημένων HC εξόδου στο πρωτόκολλο αυτό να οφείλεται σε υπό εκτιμημένη συγκέντρωση στην είσοδο του φίλτρου.

166 15 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ F-CDPF οκιμή θέρμανσης - Χαμηλή παροχή - HC 4 35 HC: Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός 5 Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Θερμοκρασία HC είσοδος Συγκέντρωση HC [ppm] 5 Παροχή HC έξοδος Χρόνος [s] (α) F-CDPF οκιμή θέρμανσης - Υψηλή παροχή - HC 45 4 HC: Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός 5 Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] Παροχή Θερμοκρασία HC είσοδος HC έξοδος Συγκέντρωση HC [ppm] Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.3: Μέτρηση και υπολογισμός για τα HC κατά τη διάρκεια της δοκιμής θέρμανσης ψύξης για το φίλτρο F-CDPF στις: (α) 15 rpm και (β) 35 rpm. Στην Εικ. 7.4 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για το ΝΟ. Παρατηρώντας τα πειραματικά αποτελέσματα, είναι εμφανής παραγωγή ΝΟ σε χαμηλές θερμοκρασίες, και κυρίως στην αρχή της μέτρησης. Στο μοντέλο η συμπεριφορά αυτή προβλέπεται με την συμπερίληψη των αναγωγικών αντιδράσεων του εισερχόμενου ΝΟ με τους

167 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 151 υδρογονάνθρακες. Σε υψηλές θερμοκρασίες οι HC δεν είναι πλέον διαθέσιμοι και η μετατροπή του ΝΟ συμβαίνει εξαιτίας της οξείδωσής του προς ΝΟ. Η ρύθμιση των κινητικών της οξείδωσης του ΝΟ έχει γίνει με βάση τη θέρμανση του φίλτρου, όπου οι συγκεντρώσεις των ΝΟ σε είσοδο και έξοδο είναι σχετικά μεγάλες, λόγω του υψηλού φορτίου του κινητήρα. Αντιθέτως, στη λειτουργία της ψύξης, το φορτίο του κινητήρα είναι μηδέν, με αποτέλεσμα οι τιμές των συγκεντρώσεων των ΝΟ σε είσοδο και έξοδο να είναι μικρές, οι οποίες δεν επιτρέπουν την εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων για την οξειδωτική δραστηριότητα του. Σε κάθε περίπτωση, τα αποτελέσματα του μοντέλου είναι σε συμφωνία με τα πειραματικά. Παρόμοια αποτελέσματα προκύπτουν για την περίπτωση του φίλτρου με τη χαμηλή φόρτιση σε ευγενή μέταλλα, το R-CDPF. Φυσικά οι προ εκθετικοί όροι των αντίστοιχων κινητικών των αντιδράσεων, προέκυψαν με τον ίδιο τρόπο. Παρόλα αυτά δε θεωρείται απαραίτητο να παρατεθούν τα αποτελέσματα υπό τη μορφή αυτή. F-CDPF οκιμή θέρμανσης - Χαμηλή παροχή - NO 45 4 NO είσοδος NO: Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός 7 6 Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] NO έξοδος Παροχή Θερμοκρασία Συγκέντρωση NO [ppm] Χρόνος [s] (α)

168 15 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ F-CDPF οκιμή θέρμανσης - Υψηλή παροχή - NO 45 4 NO είσοδος NO: Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός 7 6 Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία [ C] NO έξοδος Παροχή Θερμοκρασία Συγκέντρωση NO [ppm] Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.4: Μέτρηση και υπολογισμός για το NO κατά τη διάρκεια της δοκιμής θέρμανσης ψύξης για το φίλτρο F-CDPF στις: (α) 15 rpm και (β) 35 rpm. Στην Εικ. 7.5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της απόδοσης μετατροπής συναρτήσει της θερμοκρασίας εισόδου. Και οι δύο καμπύλες αναφέρονται στο πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης υπό χαμηλή παροχή καυσαερίου, όπως παρουσιάστηκε προηγουμένως. Στην περίπτωση αυτή διακρίνονται δύο ξεχωριστές καμπύλες οι οποίες αντιστοιχούν σε: Απόδοση μετατροπής κατά τα φάση της αύξησης της θερμοκρασίας (θέρμανσης light-off) στις 15 rpm Απόδοση μετατροπής κατά τα φάση της μείωσης της θερμοκρασίας (ψύξης cooldown) στις 15 rpm.

169 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Απόδοση μετατροπής CO [%] Ψύξη Θέρμανση 1 Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] Εικ. 7.5: Μετρημένες και υπολογισμένες καμπύλες απόδοσης μετατροπής του CO στο F-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου θέρμανσης ψύξης, συναρτήσει της θερμοκρασίας εισόδου. Η καμπύλη είναι αισθητά διαφορετική στην περίπτωση της λειτουργίας της ψύξης, με την απόδοση μετατροπής να επιτυγχάνεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στους ακόλουθους παράγοντες: Μικρότερη παροχή καυσαερίου, οπότε μεγαλύτερος χρόνος παραμονής κατά τη ψύξη, ευνοεί τις υψηλότερες αποδόσεις μετατροπής. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συναρτήσει της θερμοκρασίας εισόδου. Σε αντίθεση με τη φάση της θέρμανσης, η θερμοκρασία του στερεού υποστρώματος του CDPF στην ψύξη, είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία εισόδου, εξαιτίας της επίδρασης της θερμοχωρητικότητας του φίλτρου. Το αποτέλεσμα είναι να ευνοείται η μεγαλύτερη απόδοση μετατροπής, για δεδομένη θερμοκρασία. Στην αρχή της φάσης της αύξησης της θερμοκρασίας κάποια ποσότητα HC είναι ήδη προσροφημένη στο υπόστρωμα, παρεμποδίζοντας όλες τις αντιδράσεις οξείδωσης. Αυτό δε συμβαίνει στη λειτουργία της ψύξης του φίλτρου, όπου η προσρόφηση των HC αρχίζει να γίνεται σημαντική αφού οι αντιδράσεις οξείδωσης έχουν σχεδόν απενεργοποιηθεί. Όπως αναφέρθηκε, ο προεκθετικός όρος της οξείδωσης του CO έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε να προβλέπεται σωστά η απόδοση μετατροπής κατά τη φάση της ψύξης. Το μοντέλο ενώ προβλέπει διαφοροποίηση της απόδοσης μετατροπής μεταξύ θέρμανσης ψύξης, αδυνατεί να προβλέψει με ακρίβεια την απόδοση μετατροπής συναρτήσει της θερμοκρασίας κατά τη φάση της θέρμανσης. Αυτό συμβαίνει γιατί δεν έχει συμπεριληφθεί στο σχήμα παρεμποδίσεων ο αντίστοιχος όρος παρεμπόδισης, ο οποίος θα προέβλεπε την επίδραση των προσροφημένων HC στην οξειδωτική δραστηριότητα του φίλτρου. Στην Εικ. 7.6 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες καμπύλες για το R-CDPF. Η επίδραση της μικρότερης ποσότητας ευγενών μετάλλων στην αποδοτικότητα του CDPF είναι εμφανής, από τις υψηλότερες θερμοκρασίες ενεργοποίησης του καταλύτη σε σύγκριση με το F- CDPF. Το μοντέλο είναι και σε αυτή την περίπτωση ικανό να προβλέψει την

170 154 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ αποδοτικότητα του R-CDPF μειώνοντας τους προ-εκθετικούς όρους των αντιδράσεων οξείδωσης. 1 9 Απόδοση μετατροπής CO [%] Ψύξη Θέρμανση 1 Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] Εικ. 7.6: Μετρημένες και υπολογισμένες καμπύλες απόδοσης μετατροπής του CO στο R-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου θέρμανσης ψύξης, συναρτήσει της θερμοκρασίας εισόδου. Τελικά, στην Εικ. 7.7 παρουσιάζονται οι καμπύλες θέρμανσης ψύξης για την περίπτωση του Z-CDPF. Εδώ το μοντέλο δεν ξανά ρυθμίστηκε και χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι αντιδράσεων του F-CDPF για το πρώτο μισό του μήκους, και οι αντίστοιχες παράμετροι του R-CDPF για το πίσω μέρος. Η καλή συμφωνία μεταξύ των μετρημένων και των προσομοιωμένων καμπυλών απόδοσης κατά τη θέρμανση, όπως ήδη αναφέρθηκε, δείχνει ότι το μοντέλο είναι ικανό να προβλέψει την επίδραση της αξονικά ανομοιόμορφης κατανομής της φόρτισης σε ευγενή μέταλλα.

171 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Απόδοση μετατροπής CO [%] Ψύξη Θέρμανση 1 Σημεία: μέτρηση Γραμμές: υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] Εικ. 7.7: Μετρημένες και υπολογισμένες καμπύλες απόδοσης μετατροπής του CO στο Z-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου θέρμανσης ψύξης, συναρτήσει της θερμοκρασίας εισόδου. Τέλος στην Εικ. 7.8 που ακολουθεί, παρουσιάζεται σύγκριση των μετρημένων και υπολογισμένων αποτελεσμάτων, τα οποία αφορούν την οξειδωτική δραστικότητα του κάθε φίλτρου. Η τελευταία εκφράζεται ως η θερμοκρασία εισόδου του φίλτρου, στην οποία θα έχει μετατραπεί το 5% του CO και το 7% των HC στη φάση της ψύξης του φίλτρου, και το 3% των ΝΟ στην αντίστοιχη φάση της θέρμανσης. Η υπεροχή του F-CDPF είναι φυσικά εμφανής, με το Z-CDPF να υπολείπεται μεν, αλλά με μικρότερη διαφορά, από την αντίστοιχη του τελευταίου με το R-CDPF. Το μοντέλο υπολογίζει με ικανοποιητική ακρίβεια τόσο την ποσοτική, όσο και την ποιοτική διαφοροποίηση μεταξύ των φίλτρων. Οι κινητικές που εξήχθησαν από την παράγραφο αυτή χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των φίλτρων κατά τη διάρκεια παθητικής και εξαναγκασμένης αναγέννησης σε χαμηλή και υψηλή θερμοκρασία αντίστοιχα.

172 156 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 17 T5 CO (ψύξη) μέτρηση T5 CO (ψύξη) υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] F-CDPF R-CDPF Z-CDPF (α) 195 T7 HC (ψύξη) μέτρηση T7 HC (ψύξη) υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] F-CDPF R-CDPF Z-CDPF (β)

173 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ T NO (θέρμανση) μέτρηση T NO (θέρμανση) υπολογισμός Θερμοκρασία [ C] F-CDPF R-CDPF Z-CDPF (γ) Εικ. 7.8: Σύγκριση μετρημένων και υπολογισμένων αποτελεσμάτων της καταλυτικής οξειδωτικής δραστηριότητας των τριών φίλτρων: (α) CO, (β) HC και (γ) NO. 7.4 Παθητική αναγέννηση Στην παράγραφο αυτή εξετάζεται η επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης σε συνθήκες παθητικής αναγέννησης και σε αναγέννηση σημείου ισορροπίας. Η μελέτη που παρουσιάζεται περιλαμβάνει μετρήσεις και προσομοιώσεις αυτών από το μοντέλο του καταλυτικού φίλτρου, με τη συμπερίληψη της ανομοιόμορφης αξονικής φόρτισης σε ευγενή μέταλλα. Τα φίλτρα φορτίστηκαν με πρωτόκολλο που περιλαμβάνει εναλλαγή μεταξύ δύο διαφορετικών σημείων λειτουργίας του κινητήρα, σε χαμηλή και υψηλή παροχή. Το πρωτόκολλο της φόρτισης είναι όμοιο με αυτό που περιγράφεται στην παράγραφο Στην Εικ. 7.9 παρουσιάζεται η φόρτιση του Z-CDPF, η οποία ολοκληρώθηκε σε δύο μέρη. Η συνολική διάρκεια της φόρτισης ήταν 4 h και η μάζα της αιθάλης που συσσωρεύτηκε στο φίλτρο εκτιμήθηκε στα 17 g, σύμφωνα με τον υπολογισμό του μοντέλου.

174 158 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Θερμοκρασία Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] 15 1 Παροχή Αιθάλη Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος p Χρόνος [s] (α) 3 18 Θερμοκρασία εισόδου 16 5 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Παροχή Αιθάλη p Μάζα αιθάλης [g] Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.9: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) καμπύλες πτώσης πίεσης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο Z-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου φόρτισης της αναγέννησης ισορροπίας (α): 1 ο μέρος, (β) ο μέρος. Το μοντέλο προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια την πτώση πίεσης και στα δύο σημεία λειτουργίας του κινητήρα. Στη διάρκεια της μέτρησης η θερμοκρασία εισόδου του καυσαερίου παρέμεινε κάτω από τους 8 C, έτσι ώστε να αποφευχθεί οποιαδήποτε

175 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 159 αναγέννηση της αιθάλης με την ελάχιστη συγκέντρωση ΝΟ του κινητήρα σε αυτά τα σημεία λειτουργίας (4 ppm). Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί ότι δεν υπήρχε κάποιος DOC ανάντη των CDPF, ο οποίος θα ευνοούσε την αναγέννηση της αιθάλης ήδη από αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες της φόρτισης με παραγωγή ΝΟ στην έξοδό του. Οι προσομοιώσεις των φορτίσεων πραγματοποιήθηκαν με το μοντέλο που υπολογίζει την απόδοση διήθησης στο τοίχωμα. Οι παράμετροι του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκαν είναι ίδιοι με τους αντίστοιχους του Πιν. 3.4 και του Πιν. 3.5 (των φίλτρου LPt+LP+LC & HPt+LP+LC). Όμοια, χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι των μοντέλου πτώσης πίεσης του Πιν. 3.6, ενώ οι τιμές της διαπερατότητας του καθαρού και του φορτισμένου τοιχώματος παρουσιάστηκαν ήδη στον Πιν Στη συνέχεια, στον Πιν. 7.4 που ακολουθεί παρουσιάζεται το σχήμα αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στη σωματιδιακή στρώση, καθώς και ο προεκθετικός όρος A και η ενέργεια ενεργοποίησης E του κάθε ρυθμού αντίδρασης. Το σχήμα των αντιδράσεων αυτών, καθώς και οι τιμές των A και E, είναι ίδιες με τις αντιδράσεις του Πιν. 5., σε μία προσπάθεια που έγινε έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί ένα όσο το δυνατόν κοινό σχήμα αντιδράσεων της αιθάλης, αφού οι μετρήσεις του κεφαλαίου 5 και της παρούσας παραγράφου έγιναν στον ίδιο κινητήρα της πειραματικής διάταξης του ΕΕΘ. Περισσότερα για το σχήμα αντιδράσεων της αιθάλης αναφέρονται στην παράγραφο 5.1 του παραρτήματος Α. Πιν. 7.4: Αντιδράσεις αιθάλης στα CDPF, προεκθετικοί όροι και ενέργειες ενεργοποίησης των ρυθμών τους. Α/Α Αντίδραση Προεκθετικός όρος A Ενέργεια ενεργοποίησης E C + α O 1. 1 α CO + ( 1 α )CO C + α NO. α NO + ( α ) CO + ( α 1) CO. 15 x C + O + NO CO + NO ) x ( ) ( 3. Η επιλεκτικότητα α των αντιδράσεων 1 και του Πιν. 7.4 έχει τιμή.85 και 1.75 αντίστοιχα. Η επαλήθευση του προ εκθετικού όρου της αντίδρασης της αιθάλης με το ΝΟ έγινε με τη βοήθεια των πρωτοκόλλων παθητικής αναγέννησης στους 33 C και στους 4 C. Οι μετρήσεις αυτές είναι ίδιες με τις αντίστοιχες όπως παρουσιάστηκαν στην παράγραφο 5.4. Μετά από φόρτιση.5 h με το πρωτόκολλο της Εικ. 7.9, ακολούθησαν δύο διαδοχικές αναγεννήσεις στις δύο θερμοκρασίες εισόδου που αναφέρθηκαν διάρκειας 3 min η κάθε μία. Στην Εικ. 7.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των δύο

176 16 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ αναγεννήσεων του φίλτρου F-CDPF. Οι κινητική της αντίδρασης που κυριαρχεί στις θερμοκρασίες αυτές προσομοιώνει με ακρίβεια τη συμπεριφορά και αυτού του φίλτρου. Οι ζυγίσεις πριν και μετά τις αναγεννήσεις αυτές δεν είναι διαθέσιμες για να συγκριθούν με τους αντίστοιχους υπολογισμούς του μοντέλου. Πτώση Πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] F-CDPF Παθητική αναγέννηση 33 C Αιθάλη Θερμοκρασία Παροχή p Αιθάλη τοιχώματος Μάζα Αιθάλης [g] Χρόνος [s] (α) 45 4 F-CDPF Παθητική αναγέννηση 4 C Αιθάλη 14 Πτώση Πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία Παροχή p Μάζα Αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.1: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) καμπύλες πτώσης πίεσης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο F-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου της παθητικής αναγέννησης στους: (α) 33 C και (β) 4 C.

177 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 161 Στην Εικ παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν στην πρόβλεψη της συγκέντρωσης των ΝΟ στην έξοδο του F-CDPF στα ίδια πρωτόκολλα παθητικών αναγεννήσεων. Στην περίπτωση αυτή το μοντέλο προβλέπει με ακρίβεια την οξείδωση των ΝΟ προς ΝΟ, σύμφωνα με την αντίδραση 1 του Πιν. 7.. Παρόμοια αποτελέσματα της οξείδωσης του ΝΟ παρουσιάστηκαν και στην Εικ. 7.4 για το ίδιο φίλτρο, αλλά για το πρωτόκολλο θέρμανσης ψύξης καθαρού φίλτρου. Στην αναγέννηση συμμετέχει και η αντίδραση της καύσης της αιθάλης από το ΝΟ, παράγοντας ΝΟ. Φυσικά και σε αυτές τις προσομοιώσεις έχει συμπεριληφθεί στο μοντέλο ο μηχανισμός της διάχυσης, όπως παρουσιάστηκε και αναλύθηκε στο κεφάλαιο 5, συμβάλλοντας στη σωστή πρόβλεψη τόσο της πτώσης πίεσης, όσο και των αερίων ρύπων στην έξοδο του φίλτρου. F-CDPF Παθητική αναγέννηση 33 C - ΝΟ Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] ΝΟ Είσοδος Παροχή Θερμοκρασία ΝΟ Έξοδος Συγκέντρωση NO [ppm] 5 ΝΟ: Σημεία: μέτρηση Γραμμη: υπολογισμός Χρόνος [s] (α)

178 16 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ F-CDPF Παθητική αναγέννηση 4 C - ΝΟ 45 ΝΟ Είσοδος Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία Παροχή ΝΟ Έξοδος Συγκέντρωση NO [ppm] 5 ΝΟ: Σημεία: μέτρηση Γραμμη: υπολογισμός Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.11: Πρόβλεψη της συγκέντρωσης του ΝΟ στο F-CDPF στην έξοδο του φίλτρου κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου της παθητικής αναγέννησης στους: (α) 33 C και (β) 4 C. Στην Εικ. 7.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πρόβλεψης της πτώσης πίεσης και της υπολογισμένης μάζας αιθάλης του φίλτρου R-CDPF για το ίδιο πρωτόκολλο παθητικής αναγέννησης. Το μοντέλο προβλέπει με ακρίβεια την πτώση πίεσης και σε αυτή την περίπτωση. Όσον αφορά στη μάζα της αιθάλης, για το R-CDPF προβλέπονται διαφορά μάζας 3. g και.5 g για την αναγέννηση των 33 C και 4 C αντίστοιχα. Ωστόσο, οι αντίστοιχες προβλέψεις για το F-CDPF είναι 3 g και -.5 g. Η διαφορά είναι μεγαλύτερη στους 4 C όπου το φίλτρο με την υψηλή φόρτιση ευγενών μετάλλων χάνει.5 g αιθάλη, ενώ το αντίστοιχο με τη χαμηλή κερδίζει.5 g. Με δεδομένο ότι η πτώση πίεσης και οι αέριες εκπομπές στην έξοδο προβλέπονται σωστά, αντίστοιχα αξιόπιστη θεωρείται και η πρόβλεψη της μάζας αιθάλης του κάθε φίλτρου.

179 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ R-CDPF Παθητική αναγέννηση 33 C 16 4 Αιθάλη 14 Πτώση Πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] p Παροχή Θερμοκρασία Μάζα Αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) 45 R-CDPF Παθητική αναγέννηση 4 C Αιθάλη 16 Πτώση Πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία Παροχή p Μάζα Αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.1: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) καμπύλες πτώσης πίεσης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο R-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου της παθητικής αναγέννησης στους: (α) 33 C και (β) 4 C. Μετρήσεις παθητικής αναγέννησης για το Z-CDPF δεν έγιναν σύμφωνα με τα παραπάνω πρωτόκολλα. Πραγματοποιήθηκαν όμως μετρήσεις αναγέννησης ισορροπίας και για τα τρία φίλτρα.

180 164 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Στην Εικ παρουσιάζονται τα αντίστοιχα μεγέθη στο πρωτόκολλο της αναγέννησης ισορροπίας, του Z-CDPF. Η αρχική μάζα της αιθάλης έχει προκύψει από τις αντίστοιχες προσομοιώσεις των φορτίσεων του ίδιου φίλτρου που προηγήθηκαν, όπως παρουσιάστηκαν στην Εικ Ο κινητήρας λειτουργεί υπό σταθερές στροφές λειτουργίας, στις 5 rpm. Το πρωτόκολλο περιλαμβάνει πέντε σημεία λειτουργίας, όπου ο κινητήρας λειτουργεί σε αυτά για min στο καθένα. Το φορτίο του κινητήρα και η θερμοκρασία εισόδου του Z-CDPF είναι σταθερά σε κάθε σημείο. Η σταδιακή αύξηση του φορτίου από σημείο σε σημείο προκαλεί αντίστοιχη αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου από τους 75 C έως τους 475 C, με βήμα 5 C. 5 Z-CDPF Αναγέννηση ισορροπίας 45 4 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία Παροχή Αιθάλη p Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] Εικ. 7.13: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) καμπύλες πτώσης πίεσης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο Z-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου της αναγέννησης ισορροπίας. Από την καμπύλη της υπολογισμένης μάζας αιθάλης παρατηρείται ότι η αιθάλη έχει περίπου ίδιο ρυθμό συσσώρευσης και κατανάλωσης σε θερμοκρασία μεταξύ του 3 ου και 4 ου σημείου λειτουργίας, δηλαδή περίπου στους 4 C. Η παραπάνω θερμοκρασία λέγεται και θερμοκρασία ισορροπίας της παγίδας. Στο πρωτόκολλο αυτό η βηματική αύξηση της θερμοκρασίας ήταν 5 C, όπως προαναφέρθηκε. Η αύξηση αυτή είναι σχετικά μεγάλη για τη μελέτη του σημείου ισορροπίας. Ενδεχομένως μία βηματική αύξηση της θερμοκρασίας κατά 5 C θα εξυπηρετούσε περισσότερο στο διαχωρισμό των δύο περιοχών συσσώρευσης και αναγέννησης με μεγαλύτερη ακρίβεια. Στην Εικ που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα των αναγεννήσεων ισορροπίας των φίλτρων F-CDPF και R-CDPF αντίστοιχα. Δυστυχώς η αρχική μάζα δεν είναι ίδια, οπότε δεν μπορούν να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα του κάθε φίλτρου, όσον αφορά στην απόδοση της αναγέννησης. Επίσης, οι εκπομπές του κινητήρα σε ΝΟ x ήταν μικρότερες στην αναγέννησης του R- CDPF, παρόλο που το φορτίο η θερμοκρασία και η παροχή του καυσαερίου ήταν σχεδόν ίδια. Το αποτέλεσμα είναι το R-CDPF να χάνει αρκετά λιγότερη μάζα σε σχέση με τα άλλα δύο φίλτρα, χωρίς να μπορεί να δικαιολογηθεί η μεγάλη αυτή διαφορά από τη μειωμένη δραστικότητα της καταλυτικής επικάλυψής του.

181 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ F-CDPF Αναγέννηση ισορροπίας 45 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία Παροχή Αιθάλη p Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) 5 45 R-CDPF Αναγέννηση ισορροπίας 4 Πτώση πίεσης [mbar] Θερμοκρασία [ C] Παροχή καυσαερίου [kg/h] Θερμοκρασία p Παροχή Αιθάλη Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.14: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) καμπύλες πτώσης πίεσης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου της αναγέννησης ισορροπίας στο: (α) F-CDPF και (β) R-CDPF. Από τις δύο προηγούμενες εικόνες, παρατηρείται ότι ο ρυθμός μείωσης της πτώση πίεσης υποεκτιμάται στο τελευταίο σημείο λειτουργίας. Στο σημείο αυτό η θερμοκρασία του καυσαερίου στην είσοδο των φίλτρων είναι 475 C. Στις προσομοιώσεις αυτές εφαρμόστηκαν φυσικά οι ίδιες κινητικές που χρησιμοποιήθηκαν και στις προηγούμενες

182 166 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ προσομοιώσεις. Παρόλα αυτά, όπως παρουσιάζεται στην Εικ που ακολουθεί, διαφορά της μάζας αιθάλης στη διάρκεια των αναγεννήσεων ισορροπίας προβλέπεται με ικανοποιητική ακρίβεια F-CDPF R-CDPF Z-CDPF -. Μάζα αιθάλης [g] m μέτρηση [g] m υπολογισμός [g] Εικ. 7.15: Σύγκριση μεταξύ μετρημένης και υπολογισμένης διαφοράς μάζας αιθάλης του πρωτοκόλλου της αναγέννησης ισορροπίας. Τέλος, για να αποτιμηθεί η δραστικότητα των καταλυτικών επικαλύψεων του κάθε φίλτρου, στην Εικ παρουσιάζονται υπολογισμένα αποτελέσματα μάζας αιθάλης που αναγεννιέται υπό κοινό πρωτόκολλο μέτρησης. Στην περίπτωση αυτή, προσομοιώθηκε η αναγέννηση της Εικ με το σχήμα των αντιδράσεων τοιχώματος του κάθε φίλτρου. Η διαφοροποίηση στην αποδοτικότητα είναι εμφανής, παρόλο που οι απόλυτες διαφορές δεν είναι πολύ μεγάλες. Στην επόμενη παράγραφο η αποδοτικότητα των φίλτρων εξετάζεται σε συνθήκες εξαναγκασμένης αναγέννησης υπό υψηλή θερμοκρασία.

183 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ F-CDPF R-CDPF Z-CDPF Μάζα αιθάλης [g] m υπολογισμός [g] (βασισμένος στην ίδια προσομοίωση) Εικ. 7.16: Σύγκριση υπολογισμένης διαφοράς μάζας αιθάλης των τριών φίλτρων υπό κοινό πρωτόκολλο αναγέννησης ισορροπίας. 7.5 Εξαναγκασμένη αναγέννηση Στην παράγραφο αυτή εξετάζεται η επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής του καταλύτη σε εξαναγκασμένη αναγέννηση. Οι μετρήσεις της παραγράφου αυτής πραγματοποιήθηκαν σε εργαστήριο της εταιρίας DAIMLER AG, όπως παρουσιάστηκε και στην παράγραφο 7.. Όλα τα φίλτρα φορτίστηκαν στον κινητήρα υπό το ίδιο πρωτόκολλο φόρτισης μέχρι μία τελική μάζα αιθάλης περίπου 15 g (6 g/l). Στη συνέχεια, τα φορτισμένα φίλτρα αναγεννήθηκαν ενεργητικά με δευτερογενή έγχυση, η οποία αύξησε τη θερμοκρασία του καυσαερίου σε μία θερμοκρασία στόχου 665 C στην είσοδο του CDPF. Εξαιτίας της μερικής οξείδωσης στον DOC ανάντη του φίλτρου, η συγκέντρωση των HC στην είσοδο του CDPF ήταν περίπου 1 ppm κατά τη διάρκεια της δευτερογενούς έγχυσης και η αντίστοιχη αιχμή του CO ήταν περίπου 75 ppm. Όλα τα CDPF ήταν εξοπλισμένα με 1 θερμοστοιχεία, τοποθετημένα από το πίσω μέρος του φίλτρου, σε ποικίλες αξονικές και ακτινικές θέσεις. Επιπλέον, η θερμοκρασία εισόδου μετρήθηκε σε δύο διαφορετικές θέσεις στην είσοδο του φίλτρου, για να είναι δυνατός ο προσδιορισμός της κατανομής της θερμοκρασίας του εισερχόμενου καυσαερίου. Η θερμοκρασιακή αυτή κατανομή δίνονταν στη συνέχεια ως δεδομένο εισόδου στο μοντέλο στην τρισδιάστατη προσομοίωση της αναγέννησης. Στην Εικ παρουσιάζονται μετρημένα και αντίστοιχα υπολογισμένα αποτελέσματα κατά τα διάρκεια της εξαναγκασμένης αναγέννησης του φίλτρου με τη μικρότερη φόρτιση ευγενών μετάλλων (R-CDPF). Οι κινητικές των αντιδράσεων στο καταλυτικό τοίχωμα που χρησιμοποιήθηκαν και σε αυτές τις προσομοιώσεις προήρθαν από τη μελέτη που παρουσιάστηκε στην παράγραφο 7.3. Οι κινητικές των αντιδράσεων οξείδωσης της αιθάλης μέσω του Ο και του ΝΟ παρουσιάστηκαν στον Πιν Ενώ ο προ εκθετικός όρος της αντίδρασης της αιθάλης με το ΝΟ ρυθμίστηκε από τις παθητικές αναγεννήσεις της προηγούμενης παραγράφου, οι αντίστοιχοι όροι των αντιδράσεων με το Ο

184 168 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ ρυθμίστηκαν από τις αναγεννήσεις υπό υψηλή θερμοκρασία που παρουσιάζονται στη συνέχεια. Φυσικά λήφθηκε υπόψη και προηγούμενη υπολογιστική εμπειρία, όπως παρουσιάζεται στις εργασίες [1, 13]. Η συμφωνία της μετρημένης και υπολογισμένης καμπύλης πτώσης πίεσης είναι πολύ καλή, με τη συμβολή της τρισδιάστατης μοντελοποίησης. Από μελέτη που έγινε με τη βοήθεια του μοντέλου, συμπεραίνεται ότι η πρόβλεψη της καμπύλης της πτώσης πίεσης είναι ευαίσθητη στην ακρίβεια των προβλέψεων των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα μέσα στο καταλυτικό τοίχωμα. Στην περίπτωση αυτή, οι αντιδράσεις που έχουν ενδιαφέρον είναι οι εξής: Οξείδωση των CO και HC, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία εξαιτίας της εξωθερμίας τους. Αμφίδρομη οξείδωση του NO προς NO και στη συνέχεια αντίδραση της αιθάλης με το NO. Ο μηχανισμός αυτός της αντίδρασης είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον και σύνθετος εξαιτίας του φαινομένου ανακύκλωσης του NO και της διάχυσης του NO από το καταλυτικό τοίχωμα όπου παράγεται προς τη σωματιδιακή στρώση, όπως έχει ήδη αναφερθεί στις εργασίες [3, 14, 15] και εξετάστηκε λεπτομερώς στο κεφάλαιο 5. Για τους παραπάνω λόγους, είναι σημαντικό να υπάρχει μία όσο το δυνατόν πιο ακριβής εκτίμηση της ποσότητας της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα στην αρχή της εξαναγκασμένης αναγέννησης, καθώς επίσης και της τοπικής της κατανομής όχι μόνο στις μακροσκοπικές τρεις διαστάσεις του φίλτρου, αλλά επίσης και μέσα στο τοίχωμα του φίλτρου κατά μήκος της ροής μέσω του τοιχώματος. Μια τέτοια εκτίμηση της κατανομής της αιθάλης παρέχεται προσομοιώνοντας τη φόρτιση των φίλτρων με το μοντέλο διήθησης και πτώσης πίεσης, το οποίο παρουσιάστηκε και επαληθεύτηκε στο κεφάλαιο Πτώση πίεσης [mbar] P Αιθάλη Μάζα αιθάλης [g] 1 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] Εικ. 7.17: Μετρημένες (σημεία) και υπολογισμένες (γραμμές) καμπύλες πτώσης πίεσης και υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο Z-CDPF κατά τη διάρκεια του πρωτοκόλλου φόρτισης της εξαναγκασμένης αναγέννησης.

185 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 169 Στην Εικ παρουσιάζονται η μετρημένη και υπολογισμένη πτώση πίεσης, καθώς και η μάζα της αιθάλης συνολική και μέσα στο τοίχωμα- για την περίπτωση του φίλτρου Z- CDPF. Τα αποτελέσματα των αντίστοιχων φορτίσεων των άλλων φίλτρων είναι παρόμοια. Στις φορτίσεις αυτές έχει χρησιμοποιηθεί το μοντέλο διήθησης πτώσης πίεσης, για να παρέχονται με ακρίβεια οι αρχικές συνθήκες του φίλτρου στην έναρξη της εξαναγκασμένης αναγέννησης Αιθάλη 14 1 Πτώση πίεσης [mbar] 15 1 P Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) Έξοδος 7 Θερμοκρασία [ C] Είσοδος Χρόνος [s] (β)

186 17 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 71 7 Θερμοκρασία [ C] Έξοδος Μέση 65 Είσοδος Χρόνος [s] (γ) Εικ. 7.18: Εξαναγκασμένη αναγέννηση για το R-CDPF: Μετρήσεις (σημεία) και υπολογισμοί (γραμμές). (α) Πτώση πίεσης, (β) και (γ) θερμοκρασίες στο φίλτρο. Στην Εικ. 7.18α παρουσιάζεται επίσης η υπολογισμένη μάζα αιθάλης στο τοίχωμα. Εξαιτίας της αναγέννησης σε υψηλή θερμοκρασία, η ισορροπία ΝΟ/ΝΟ δεν ευνοεί το σχηματισμό ΝΟ, οπότε η καταλυτική επίδραση της οξείδωσης της αιθάλης είναι σχεδόν αμελητέα. Η Εικ. 7.18β παρουσιάζει την μετρημένη και υπολογισμένη θερμοκρασία σε κανάλι εξόδου κοντά στον άξονα συμμετρίας του φίλτρου, 5 mm από την έξοδο. Η συμφωνία μεταξύ της μετρημένης και υπολογισμένης θερμοκρασίας αποδεικνύει την ικανότητα του μοντέλου να προβλέψει την επίδραση της εξωθερμίας λόγω της οξείδωσης της αιθάλης και της οξείδωσης των CO και HC. Η τελευταία είναι υπεύθυνη για την αύξηση της θερμοκρασίας ακόμη και μετά την πλήρη οξείδωση της αιθάλης κοντά στο τέλος της δοκιμής. Αντιθέτως, η πρώτη είναι κυρίως υπεύθυνη για την επιπρόσθετη εξωθερμία που παρατηρείται από τα 5 s έως τα 6 s, στα οποία συμβαίνει κυρίως οξείδωση της αιθάλης. Η Εικ. 7.18γ παρουσιάζει τις συγκρίσεις των θερμοκρασιών με μεγαλύτερη ακρίβεια, στην οποία συμπεριλαμβάνεται η θερμοκρασία που μετριέται στη μέση του καναλιού εξόδου. Η Εικ παρουσιάζει τα αποτελέσματα μίας παρόμοιας εξαναγκασμένης αναγέννησης για την περίπτωση του φίλτρου με τη μεγαλύτερη φόρτιση ευγενών μετάλλων (F-CDPF). Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της πτώσης πίεσης με τα αντίστοιχα του φίλτρου R-CDPF με το μικρότερο ποσό ευγενών μετάλλων, δεν αναγνωρίζεται εμφανής διαφοροποίηση. Τα αποτελέσματα του μοντέλου υποδηλώνουν επίσης ότι οι συνολικές διαφορές στο ρυθμό αντίδρασης της αιθάλης είναι αμελητέες μεταξύ των δύο πειραμάτων. Μόνο μία πολύ προσεκτική παρατήρηση της υπολογισμένης εξέλιξης της μάζας αιθάλης μέσα στο τοίχωμα αποκαλύπτει κάποιον ελαφρώς γρηγορότερο τοπικό ρυθμό αντίδρασης για την περίπτωση του F-CDPF. Συμπερασματικά, και οι μετρήσεις και οι προβλέψεις του

187 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 171 μοντέλου υποδηλώνουν ότι δεν αναμένονται ουσιώδεις διαφορές στην περίπτωση μίας τέτοιας αναγέννησης με δευτερογενή έγχυση. Πρέπει εδώ να αναφερθεί ότι στην περίπτωση της αναγέννησης του F-CDPF οι συνθήκες στην είσοδο του φίλτρου ήταν ελαφρώς διαφορετικές, εξαιτίας της μερικής οξείδωσης στον DOC ανάντη του φίλτρου. Η συγκέντρωση των HC στην είσοδο ήταν 15 ppm ενώ η θερμοκρασία ήταν 65 C. Αυτός είναι ο λόγος για την ελαφρώς μεγαλύτερη εξωθερμία που παρατηρείται στη συγκεκριμένη μέτρηση. 3 Αιθάλη Πτώση πίεσης [mbar] 15 1 P Μάζα αιθάλης [g] 5 Αιθάλη τοιχώματος Χρόνος [s] (α) Έξοδος 7 6 Είσοδος Θερμοκρασία [ C] Χρόνος [s] (β)

188 17 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 71 7 Θερμοκρασία [ C] Μέση Έξοδος 65 Είσοδος Χρόνος [s] (γ) Εικ. 7.19: Εξαναγκασμένη αναγέννηση για το F-CDPF: Μετρήσεις (σημεία) και υπολογισμοί (γραμμές). (α) Πτώση πίεσης, (β) και (γ) θερμοκρασίες στο φίλτρο. Η Εικ. 7. παρουσιάζει τα αντίστοιχα αποτελέσματα της εξαναγκασμένης αναγέννησης για την περίπτωση του Z-CDPF. Όπως αναμένεται από τα δύο προαναφερόμενα πειράματα, το Z-CDPF συμπεριφέρεται παρόμοια με τις προηγούμενες περιπτώσεις, επιβεβαιώνοντας το γεγονός ότι ο ρυθμός οξείδωσης της αιθάλης είναι πρακτικά ανεξάρτητος από τη φόρτιση σε ευγενή μέταλλα. 3 Αιθάλη Πτώση πίεσης [mbar] Αιθάλη τοιχώματος P Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s]

189 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 173 (α) Έξοδος 7 6 Είσοδος Θερμοκρασία [ C] Χρόνος [s] (β) 71 7 Θερμοκρασία [ C] Μέση Είσοδος Έξοδος Χρόνος [s] (γ) Εικ. 7.: Εξαναγκασμένη αναγέννηση για το Z-CDPF: Μετρήσεις (σημεία) και υπολογισμοί (γραμμές). (α) Πτώση πίεσης, (β) και (γ) θερμοκρασίες στο φίλτρο. Στην Εικ. 7.1 παρουσιάζονται πιο λεπτομερή αποτελέσματα προσομοίωσης για την περίπτωση του Z-CDPF. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται υπολογισμένες κατανομές

190 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ θερμοκρασίας, φόρτισης αιθάλης και ροής σε διάφορες χρονικές στιγμές, καθώς εξελίσσεται η αναγέννηση. Τα αποτελέσματα αυτά τονίζουν τη σημασία των ανομοιομορφιών θερμοκρασίας και φόρτισης αιθάλης κατά τη διάρκεια της αναγέννησης, οι οποίες αλληλεπιδρούν με τις ανομοιομορφίες της ροής στην είσοδο του φίλτρου. Θερμοκρασία [ C] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Κατανομή ροής [kg/sm ] t= s t=4 s t=6 s t=8 s Εικ. 7.1: Υπολογιστικά αποτελέσματα πεδίων θερμοκρασίας, φόρτισης αιθάλης και ροής στην εξαναγκασμένη αναγέννηση του Z-CDPF σε διάφορες χρονικές στιγμές. Αρχικά το φίλτρο είναι ομοιόμορφα φορτισμένο, όπως φαίνεται και από το αντίστοιχο πεδίο ροής, την πρώτη χρονική στιγμή. Μετά από s, το φίλτρο έχει αρχίσει να αναγεννιέται κοντά στην έξοδό του. Η αιθάλη που παραμένει περιορίζεται κοντά στην είσοδο, και ιδιαίτερα στην περιφέρεια του φίλτρου στο μικρό τρίγωνο που περιβάλλεται από τσιμέντο. Η κατανομή της ροής είναι πλέον έντονα ανομοιόμορφη, αφού η ροή ευνοείται να περνά από το σχεδόν απαλλαγμένο από αιθάλη κέντρο του φίλτρου. Στη

191 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 175 συνέχεια η παρατεταμένη διάρκεια της δευτερογενούς έγχυσης προκαλεί πλήρη αναγέννηση του φίλτρου. Η θερμοκρασία διατηρείται σε υψηλά επίπεδα (>6 C) σε όλον τον όγκο του υποστρώματος, ακόμη και στο τρίγωνο που περιβάλλεται από τσιμέντο, καθαρίζοντας κάθε ίχνος αιθάλης. Η Εικ. 7. παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές υδρογονανθράκων κατά μήκος των καναλιών εισόδου και εξόδου των τριών φίλτρων τη χρονική στιγμή t=15 s. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η συγκέντρωση εισόδου ήταν μεγαλύτερη στην περίπτωση του F-CDPF. Παρατηρείται επίσης ότι η συγκέντρωση των HC κατά μήκος του καναλιού εξόδου είναι πρακτικά μηδέν για όλα τα φίλτρα, εξαιτίας της πολύ υψηλής θερμοκρασίας και των πολύ υψηλών ρυθμών μεταφοράς μάζας για τη ροή μέσω του πορώδους τοιχώματος. Ο υπολογισμός δείχνει ότι η συγκέντρωση των HC κατά μήκος του καναλιού εισόδου ποικίλει συναρτήσει της αξονικής απόστασης από της είσοδο του φίλτρου. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της μεταφοράς μάζας από την αξονική ροή στο καταλυτικό τοίχωμα λόγω της διάχυσης, όπως εξηγείται στην επόμενη παράγραφο Συγκέντρωση HC [ppm] 1 Είσοδος Z-CDPF Είσοδος R-CDPF 4 Είσοδος F-CDPF Έξοδος (όλα) Μήκος φίλτρου [mm] Εικ. 7.: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης HC κατά μήκος των τριών φίλτρων τη χρονική στιγμή t=15 s της εξαναγκασμένης αναγέννησης. 7.6 Νομοθετημένος κύκλος οδήγησης Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται αποτελέσματα μετρήσεων της καταλυτικής οξειδωτικής δραστηριότητας των τριών φίλτρων σε μετρήσεις που διεξήχθησαν σε όχημα υπό πλήρως μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας νομοθετημένου κύκλου οδήγησης. Το μοντέλο της προσομοίωσης του καταλυτικού φίλτρου χρησιμοποιείται για την προσομοίωσης των αντίστοιχων μετρήσεων. Τα δεδομένα εισόδου του καυσαερίου που χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις προέρχονται από μετρήσεις που έγιναν με την τοποθέτηση του κάθε φίλτρου κατάντη ενός καταλύτη επιβατικού οχήματος προδιαγραφών Euro 4 με κινητήρα. l. Τα φίλτρα εγκαταστάθηκαν στην εξαγωγή του οχήματος στο δάπεδό του, μετά από οξειδωτικό καταλύτη, εγκατεστημένος κοντά στην πολλαπλή εξαγωγής του κινητήρα. Η συγκέντρωση του καυσαερίου σε CO, HC και ΝΟ μετρήθηκε ανάντη και κατάντη του κάθε CDPF, όπως παρουσιάζεται στην Εικ Οι

192 176 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ μετρήσεις έγιναν υπό τον Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Οδήγησης (NEDC New European Driving Cycle). Στόχος της παρούσας μελέτης είναι η αξιολόγηση της επίδρασης της φόρτισης ευγενών μετάλλων και της αξονικά ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην οξείδωση των αερίων CO και HC του καυσαερίου. Οι κινητικές που χρησιμοποιούνται στην παρούσα παράγραφο είναι ίδιες με αυτές που παρουσιάστηκαν στους Πιν. 7., Πιν. 7.3 και στον Πιν Εικ. 7.3: Πειραματική διάταξη των μετρήσεων των φίλτρων υπό τον κύκλο οδήγησης NEDC. Ο οξειδωτικός καταλύτης που είναι τοποθετημένος πριν τα φίλτρα είναι όπως αναφέρθηκε κοντά στην πολλαπλή εξαγωγή, με αποτέλεσμα να θερμαίνεται γρήγορα. Επιπλέον, από τα αποτελέσματα της Εικ. 7.4 που ακολουθεί, φαίνεται να είναι επικαλυμμένος με επαρκή ποσότητα ευγενών μετάλλων, ώστε να οξειδώνει αποτελεσματικά τους αέριους ρύπους του κινητήρα. Στην Εικ. 7.4 παρουσιάζονται αποτελέσματα μετρήσεων αθροιστικών εκπομπών του CO, πριν και μετά τον DOC και το Z-CDPF. Η απόδοση μετατροπής του CO στον DOC προσεγγίζει το 9%, αφήνοντας έτσι μικρά περιθώρια να αναδειχτεί η οξειδωτική δραστικότητα των φίλτρων που ακολουθούν. 14 Αθροιστικές εκπομπές CO [g] CO είσοδος DOC CO είσοδος Ζ-CDPF Χρόνος [s] CO έξοδος Z-CDPF Εικ. 7.4: Μετρημένες αθροιστικές εκπομπές CO πριν και μετά τον DOC και το Z- CDPF στον κύκλο NEDC.

193 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 177 Η μελέτη που ακολουθεί, επικεντρώνεται στην πρόβλεψη των μετρημένων στιγμιαίων και αθροιστικών εκπομπών των CO και HC. Στην Εικ. 7.5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που αφορούν το CO, καθώς και η θερμοκρασία του καυσαερίου στην είσοδο του Z-CDPF. Τα αποτελέσματα αναφέρονται στα πρώτα 4 s της μέτρησης, τα οποία επηρεάζουν το σύνολο των εκπομπών. Ο κύκλος που εξετάζεται είναι ψυχρός, οπότε οι συγκεντρώσεις των ρύπων σε είσοδο και έξοδο είναι περίπου ίσες μέχρι να θερμανθεί επαρκώς το φίλτρο, τη χρονική στιγμή t=15 s περίπου. Η οξείδωση του CO ξεκινά από αυτή τη χρονική στιγμή και μετά. Φαίνεται όμως να υποεκτιμάται ελάχιστα, όπως παρουσιάζεται με μεγαλύτερη ακρίβεια στην Εικ. 7.5β. Ωστόσο, σαν απόλυτη τιμή οι διαφορές στην αθροιστική μάζα μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του φίλτρου είναι περίπου στο 1% των συνολικών αθροιστικών εκπομπών του κινητήρα, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. 1 1 Z-CDPF CO Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Θερμοκρασία 5 Συγκέντρωση CO [ppm] CO είσοδος Θερμοκρασία εισόδου [ C] Χρόνος [s] CO έξοδος (α)

194 178 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 1.4 Z-CDPF CO 1. CO είσοδος Αθροιστικές εκπομπές CO [g] CO έξοδος Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.5: Μετρημένες και υπολογισμένες: (α) στιγμιαίες συγκεντρώσεις και (β) αθροιστικές εκπομπές του CO στον κύκλο NEDC για το φίλτρο Z-CDPF. Στην Εικ. 7.6 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα των HC. Στην περίπτωση αυτή οι συνολικοί HC στην είσοδο θεωρούνται μίγμα των τεσσάρων αερίων, Δεκάνιο (C 1 H ), Τολουένιο (C 7 H 8 ), Προπένιο (C 3 H 6 ) και Προπάνιο (C 3 H 8 ), αφού το σχήμα αντιδράσεων που χρησιμοποιείται είναι ίδιο με τις προηγούμενες παραγράφους. Η αναλογία των HC αυτών στην είσοδο του φίλτρου δεν είναι σταθερή όπως παρουσιάστηκε στην παράγραφο 7.3. Οι HC στην είσοδο του φίλτρου προέρχονται από τους αντίστοιχους στην έξοδο του DOC. Θεωρήθηκε λοιπόν σκόπιμο να προσομοιωθεί μέτρηση του ίδιου κύκλου NEDC, στην οποία οι συγκεντρώσεις των αερίων ρύπων μετρήθηκαν ανάντη και κατάντη του DOC. Ο καταλύτης που προσομοιώθηκε περιέχει ζεόλιθο στην καταλυτική του επίστρωση, με αποτέλεσμα να προσροφά τμήμα των HC του κινητήρα σε ψυχρή εκκίνηση. Η αναλογία των HC εξόδου του DOC που υπολόγισε το αντίστοιχο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε ως αναλογία εισόδου για την προσομοίωση της Εικ Στην περίπτωση αυτή το μοντέλο προβλέπει με μεγαλύτερη ακρίβεια τόσο τις στιγμιαίες, όσο και τις αθροιστικές εκπομπές για το φίλτρο Z-CDPF που εξετάζεται.

195 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 179 Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός Ζ-CDPF HC 5 5 Θερμοκρασία Συγκέντρωση HC [ppm] ΗC είσοδος Θερμοκρασία εισόδου [ C] ΗC έξοδος Χρόνος [s].7 Σημεία: μέτρηση Γραμμή: υπολογισμός (α) Z-CDPF HC.6 Αθροιστικές εκπομπές HC [g] HC έξοδος HC είσοδος Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.6: Μετρημένες και υπολογισμένες: (α) στιγμιαίες συγκεντρώσεις και (β) αθροιστικές εκπομπές των HC στον κύκλο NEDC για το φίλτρο Z-CDPF. Με παρόμοια μεθοδολογία προσομοιώθηκαν οι κύκλοι οδήγησης των ομοιόμορφων καταλυτικών φίλτρων με υψηλή φόρτιση ευγενών μετάλλων (F-CDPF) και με χαμηλή (R- CDPF). Στην Εικ. 7.7 παρουσιάζονται μετρημένα και υπολογισμένα αποτελέσματα απόδοσης μετατροπής των CO και HC για τα τρία φίλτρα στον αντίστοιχο κύκλο NEDC. Όσον αφορά στο CO (Εικ. 7.7α), η μετρημένη απόδοση μετατροπής στο φίλτρο Z-CDPF

196 18 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ είναι πρακτικά ίση με την αντίστοιχη του F-CDPF με την μεγαλύτερη ποσότητα ευγενών μετάλλων στο πίσω τμήμα του. Αυτό παρατηρείται γιατί το τμήμα του φίλτρου που παίζει καθοριστικό ρόλο στην οξείδωση του CO κατά την ψυχρή εκκίνηση, επομένως και στις συνολικές εκπομπές, είναι το μπροστινό, το οποίο θερμαίνεται φυσικά πρώτο. Στην περίπτωση των HC (Εικ. 7.7β), η απόδοση του Z-CDPF είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του ομοιόμορφου F-CDPF, όπως είναι φυσικά αναμενόμενο. Λόγω των αργών HC που δεν οξειδώνονται στις θερμοκρασίες που συναντώνται στον κύκλο, οι αθροιστικές εκπομπές στην έξοδο έχουν μία μονότονα αυξητική τάση. Ως αποτέλεσμα, το ενεργό μήκος του φίλτρου που καθορίζει τις εκπομπές εξόδου εκτείνεται σε όλο το φίλτρο και όχι μόνο στο μπροστινό τμήμα του, όπως αναφέρθηκε για το CO. Λόγω της μικρότερης ποσότητας ευγενών μετάλλων, το Ζ-CDPF μειονεκτεί σε σχέση με το F-CDPF. Σε κάθε περίπτωση το R-CDPF έχει φυσικά τη μικρότερη απόδοση, αφού έχει και τη μικρότερη ποσότητα ευγενών μετάλλων. Η χρήση του Z-CDPF δικαιολογείται απόλύτα, κερδίζοντας έτσι σε κόστος Απόδοση μετατροπής CO [%] (μέτρηση) Απόδοση μετατροπής CO [%] (υπολογισμός) F-CDPF R-CDPF Z-CDPF (α)

197 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Απόδοση μετατροπής HC [%] (μέτρηση) Απόδοση μετατροπής HC [%] (υπολογισμός) F-CDPF R-CDPF Z-CDPF (β) Εικ. 7.7: Μετρημένη και υπολογισμένη απόδοση μετατροπής των αερίων (α) CO και (β) HC στον κύκλο NEDC για τα εξεταζόμενα φίλτρα. Οι διαφορές στις αθροιστικές εκπομπές μεταξύ των φίλτρων με ανομοιόμορφη κατανομή ευγενών μετάλλων είναι πιο σημαντικές στην περίπτωση όπου το CDPF είναι τοποθετημένο μόνο του, χωρίς DOC ανάντη. Στην περίπτωση αυτή το σύστημα απλού CDPF είναι αποκλειστικά υπεύθυνο για την οξείδωση των CO και HC, όπως παρουσιάστηκε στα κεφάλαια 4 και 6. Στην Εικ. 7.8 παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων του ίδιου κύκλου NEDC για ποικίλα φίλτρα με ανομοιόμορφη κατανομή ευγενών μετάλλων, με δεδομένα εισόδου που λήφθηκαν στην έξοδο του στροβίλου, ανάντη του DOC. Για τις προσομοιώσεις αυτές, οι συνολικές αθροιστικές εκπομπές του CO στην έξοδο του κινητήρα ήταν 13.3 g, και οι αντίστοιχες για τους HC ήταν.37 g. Τα αποτελέσματα είναι στην περίπτωση αυτή καθαρά υπολογιστικά, αφού δεν πραγματοποιήθηκαν οι αντίστοιχες μετρήσεις. Οι κινητικές που έχουν χρησιμοποιηθεί στις δύο ζώνες είναι ίδιες με αυτές που παρουσιάστηκαν στην παράγραφο 7.3. Το φίλτρο Z5- CDPF είναι το ίδιο με το Z-CDPF. Τα αποτελέσματα των φίλτρων Z5-CDPF και Z75- CDPF αναφέρονται στην υποθετική περίπτωση όπου το μπροστινό 5 και 75% του συνολικού μήκους του φίλτρου αντίστοιχα είναι επικαλυμμένο με υψηλή ποσότητα ευγενών μετάλλων.

198 18 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 6 Αθροιστική μάζα CO [g] R-CDPF Z5-CDPF Z5-CDPF Z75-CDPF F-CDPF Χρόνος [s] (α) Αθροιστική μάζα HC [g] R-CDPF Z5-CDPF Z5-CDPF Z75-CDPF F-CDPF Χρόνος [s] (β) Εικ. 7.8: Υπολογισμένες αθροιστικές εκπομπές (α) CO και (β) HC στον κύκλο NEDC με διάφορα σχήματα ανομοιόμορφης κατανομής καταλύτη, με δεδομένα εισόδου στην έξοδο του στροβίλου.

199 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Προσομοίωση μεταβατικών συνθηκών λειτουργίας Στις προηγούμενες παραγράφους παρουσιάστηκαν μετρήσεις και επαληθεύτηκε το μοντέλο προσομοίωσης του CDPF με ανομοιόμορφη αξονική φόρτιση ευγενών μετάλλων. Στην παράγραφο αυτή χρησιμοποιείται το μοντέλο του CDPF για την προσομοίωση της λειτουργίας του χωρισμένου σε ζώνες CDPF (zcdpf) ως οξειδωτικό καταλύτη. Οι συγκρίσεις των συστημάτων CDPF και zcdpf λαμβάνουν χώρα υπό μεταβατικές συνθήκες θέρμανσης (ψυχρή εκκίνηση) και ψύξης των φίλτρων. Για τους σκοπούς της ενότητας αυτής η καθαρά υπολογιστική μελέτη θα περιοριστεί σε αντιδράσεις οξείδωσης των CO και HC, οι οποίες κυριαρχούν στη μελέτη καταλυτικών φίλτρων. Η μελέτη των δύο συστημάτων αντιρρύπανσης θα περιοριστεί σε φίλτρα όμοιων εξωτερικών ονομαστικών διαστάσεων διαμέτρου 5.66 και μήκους 6. Η πυκνότητα των κελιών είναι 3 cpsi και το πάχος του τοιχώματος είναι 3.48x1-4 m. Οι γεωμετρικές ιδιότητες παρουσιάζονται στον Πιν Ενώ στις προηγούμενες παραγράφους εξετάστηκαν φίλτρα με διαφορετική ποσότητα ευγενών μετάλλων μεταξύ τους, στην παράγραφο αυτή, τα δύο φίλτρα υποτίθεται ότι έχουν την ίδια ποσότητα ευγενών μετάλλων, το οποίο επιτυγχάνεται με ρύθμιση των προ-εκθετικών όρων των αντιδράσεων οξείδωσης των CO και HC. Πιν. 7.5: Γεωμετρικές και θερμοφυσικές ιδιότητες των CDPF. Ιδιότητα Τιμή Υλικό υποστρώματος Κορδιερίτης Διάμετρος φίλτρου.144 m Μήκος φίλτρου.158 m Μήκος βύσματος.5 m Πυκνότητα κελιών 3 cells/in Πάχος τοιχώματος 3.48 x 1-4 m Πυκνότητα υποστρώματος 15 kg/m 3 Διαπερατότητα υποστρώματος 5 x 1-13 m Στο μοντέλο του CDPF υποτίθεται ότι οι προ-εκθετικοί όροι εξαρτώνται γραμμικά από την τοπική φόρτιση σε ευγενές μέταλλο, μία υπόθεση που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιβλιογραφία. Ωστόσο, στην πραγματικότητα η σχέση μεταξύ της φόρτισης σε ευγενές

200 184 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ μέταλλο και των προ-εκθετικών όρων είναι αρκετά πιο σύνθετη. Οι αντιδράσεις και οι τιμές των προ εκθετικών όρων και των ενεργειών ενεργοποίησης που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διερεύνηση, παρουσιάζονται εκτενέστερα στην εργασία των Dardiotis et al. [6] Δοκιμή θέρμανσης Στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας είναι σημαντική η μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος κατά τη διάρκεια της ψυχρής εκκίνησης, η οποία κυριαρχεί τυπικά στο σύνολο των αερίων εκπομπών ενός οχήματος. Σε αυτές τις παραγράφους το μοντέλο του CDPF θα χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των δύο συστημάτων, όσον αφορά στην απόδοση οξείδωσης των αέριων ουσιών τους και συγκεκριμένα των CO και HC. Το zcdpf είναι 1.8 φορές πιο ενεργό από το CDPF στο πρώτο μισό του μήκους του στο μπροστινό μέρος δηλαδή, και 5 φορές λιγότερο ενεργό από το CDPF στο δεύτερο μισό του (πίσω μέρος). Η δραστικότητα της κάθε ζώνης του zcdpf επιτυγχάνεται με ρύθμιση των προ-εκθετικών όρων των αντιδράσεων οξείδωσης, όπως ήδη εξηγήθηκε παραπάνω. Η απόδοση του κάθε συστήματος υπολογίζεται σε σταθερή σύνθεση καυσαερίου στην είσοδο, η οποία παρουσιάζεται στον Πιν Πιν. 7.6: Συγκεντρώσεις των χημικών ουσιών στο καυσαέριο των προσομοιώσεων. Αέρια χημική ουσία Συγκέντρωση O 1% CO 1 ppm HC 9 ppm Για λόγους απλοποίησης των συνθηκών λειτουργίας υποτίθεται ότι τα φίλτρα είναι αρχικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και υπόκεινται σε καυσαέριο με σταθερή θερμοκρασία, παροχή και σύνθεση στην είσοδο ( C,. kg/s). Οι συνθήκες αυτές αντιστοιχούν σε λειτουργία ενός κινητήρα diesel σε μέσο φορτίο. Η Εικ. 7.9 παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας του υποστρώματος σε ποικίλες χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια της θέρμανσης. Τα δύο συστήματα έχουν τις ίδιες θερμικές ιδιότητες, οπότε όποιες διαφορές στην εξωθερμία των αντιδράσεων έχουν αμελητέα επίδραση. Συμπερασματικά, η θερμική συμπεριφορά των συστημάτων είναι όμοια, όπως παρουσιάζεται στην ίδια εικόνα.

201 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Θερμοκρασία [ C] 15 1 t = 5 s t = 15 s t = 5 s t = 35 s t = 45 s t = 55 s Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.9: Κατανομές θερμοκρασίας τοιχώματος στη δοκιμή θέρμανσης των φίλτρων. Οι υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας είναι όμοιες και για τα δύο φίλτρα (CDPF και zcdpf). Η Εικ. 7.3 παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές του CO τη χρονική στιγμή t=15 s. Η απόδοση μετατροπής του CO στο zcdpf είναι μεγαλύτερη, όπως αποδεικνύεται από τη σύγκριση των συγκεντρώσεών του CO των δύο συστημάτων στην έξοδο. Πρέπει να αναφερθεί ότι η σύζευξη της μοντελοποίησης της μεταφοράς-μάζας με συναγωγή και διάχυση με τις αντιδράσεις στο τοίχωμα είναι σημαντική για την πρόβλεψη της αξονικής κατανομής των χημικών ουσιών κατά μήκος των καναλιών εισόδου και εξόδου, όπως παρουσιάστηκε στο [5], καθώς και στην παράγραφο Στο μοντέλο, όπως παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 5 περιλαμβάνεται ο μηχανισμός της διάχυσης των αερίων ουσιών μεταξύ των καναλιών και του τοιχώματος, και αποδείχτηκε ότι η συνεισφορά του μηχανισμού αυτού είναι σημαντική. Συνεπώς, η ενδο-στρωματική διακριτοποίηση δεν μπορεί να αποφευχθεί. Παρόλο που η συμπερίληψη της διάχυσης στο μοντέλο αυξάνει το υπολογιστικό φορτίο κατά προσέγγιση μία τάξη μεγέθους, είναι απολύτως αναγκαία για την καταλυτική οξείδωση σε καταλυτικούς αντιδραστήρες ροής δια μέσω του τοιχώματος, και ειδικά στην περίπτωση όπου ο καταλύτης είναι σε χωρισμένος σε αξονικές ζώνες. Στην απλοποιημένη περίπτωση όπου τα φαινόμενα διάχυσης των χημικών ουσιών αμελούνται, οι κατανομές των συγκεντρώσεων των ουσιών κατά μήκος του καναλιού εισόδου θα ήταν σταθερές, το οποίο είναι προφανώς μακριά από την πραγματικότητα.

202 186 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Συγκέντρωση CO [ppm] CDPF CO είσοδος CDPF CO έξοδος zcdpf CΟ είσοδος zcdpf CO έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.3: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του CDPF και του zcdpf τη χρονική στιγμή t=15 s στη δοκιμή της θέρμανσης. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι συγκεκριμένες εκφράσεις των αντιδράσεων που χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις παράγουν πολύ χαμηλούς ρυθμούς αντίδρασης κάτω από τους 15 C. Επομένως από την Εικ. 7.9 αναγνωρίζεται ότι το «ενεργό μήκος» των δύο συστημάτων είναι το ίδιο, περίπου 7 mm, το οποίο έχει προλάβει να θερμανθεί ως αυτή τη θερμοκρασία. Παρόλο το ίδιο «ενεργό μήκος», το zcdpf είναι δραστικότερο, επειδή η οξείδωση του CO είναι γρηγορότερη στο πρώτο μισό του αντιδραστήρα. Τη χρονική στιγμή που αντιστοιχεί στα t=55 s και τα δύο φίλτρα είναι αρκετά ζεστά, όπως φαίνεται από την Εικ Η Εικ παρουσιάζει τις κατανομές συγκέντρωσης του CO σε αυτές τις συνθήκες λειτουργίας. Εξαιτίας των υψηλών ρυθμών αντίδρασης σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες, η συγκέντρωση του CO είναι σχεδόν μηδέν, καθώς η ροή εξέρχεται από το τοίχωμα, ακόμη και στην είσοδο του καναλιού εξόδου, οπότε το πλεονέκτημα του zcdpf εξαλείφεται. Η απόδοση μετατροπής και στις δύο περιπτώσεις είναι πάνω από 95%.

203 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 187 Συγκέντρωση CO [ppm] CDPF CO είσοδος CDPF CΟ έξοδος zcdpf CO είσοδος zcdpf CO έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.31: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του CDPF και του zcdpf τη χρονική στιγμή t=55 s στη δοκιμή της θέρμανσης. Στην Εικ. 7.3 παρουσιάζεται η χρονική εξέλιξη της απόδοσης μετατροπής του CO. Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως το zcdpf επιδεικνύει καλύτερη απόδοση στην αρχική περίοδο της θέρμανσης, μέχρι η απόδοση να γίνει 1% και για τα δύο συστήματα. Όσον αφορά τους HC, η συμπεριφορά τους διαφοροποιείται. Οι υδρογονάνθρακες οξειδώνονται σε ελαφρώς υψηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με το CO, και έχουν μικρότερη διαχυτότητα. Το zcdpf οξειδώνει τα HC πιο αποτελεσματικά στην αρχική φάση της θέρμανσης εξαιτίας της υψηλότερης τοπικής καταλυτικής δραστικότητας στο μπροστινό μέρος. Ωστόσο, μετά την επαρκή θέρμανση του φίλτρου (t=55 s), το zcdpf επιδεικνύει μικρότερη απόδοση μετατροπής των HC. Η εξήγηση θα μπορούσε να δοθεί εξετάζοντας τις κατανομές συγκέντρωσης των HC, όπως παρουσιάζονται στην Εικ

204 188 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Απόδοση μετατροπής [%] CO zcdpf HC zcdpf CO CDPF HC CDPF Χρόνος [s] 8 Εικ. 7.3: Απόδοση μετατροπής των CO και HC συναρτήσει του χρόνου στη δοκιμή της θέρμανσης. Στο μπροστινό μέρος του αντιδραστήρα και μέχρι το μέσο του μήκους του, η απόδοση μετατροπής είναι μεγαλύτερη στο zcdpf, στο οποίο η συγκέντρωση των HC στο κανάλι εξόδου εξαλείφεται. Ωστόσο, λόγω του σχετικά μικρού ρυθμού μεταφοράς-μάζας στο κανάλι εισόδου, υπάρχει ακόμη μία σημαντική ποσότητα άκαυτων HC, οι οποίοι εισέρχονται στο πίσω μέρος του αντιδραστήρα όπου η καταλυτική δραστικότητα είναι μικρότερη. Αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση του CO, εξαιτίας του μεγαλύτερου συντελεστή διάχυσης, όπως εξηγήθηκε στην Εικ Στο πίσω μέρος η ροή περνά από τα κανάλι εισόδου στο κανάλι εξόδου, όπου οι HC οξειδώνονται εντελώς και αναμειγνύονται με το αρχικό ρεύμα των HC του καναλιού εξόδου. Αντιθέτως, το ομοιόμορφα επικαλυμμένο CDPF είναι πιο αντιδραστικό στο πίσω του μέρος, έχοντας ως αποτέλεσμα σε μία τελική μικρότερη συγκέντρωση HC στην έξοδο του αντιδραστήρα.

205 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 189 Συγκέντρωση HC [ppm] CDPF HC είσοδος CDPF HC έξοδος zcdpf HC είσοδος zcdpf HC έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.33: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης HC κατά μήκος των καναλιών του CDPF και του zcdpf τη χρονική στιγμή t=55 s στη δοκιμή της θέρμανσης Δοκιμή ψύξης Σε αυτό το τμήμα προσομοιώνεται μία απλοποιημένη δοκιμή, στην οποία ο αντιδραστήρας είναι αρχικά στους C και υπόκειται σε καυσαέριο με σταθερή θερμοκρασία, παροχή και σύνθεση στην είσοδο (1 C,. kg/s), αντιστοιχώντας σε καυσαέριο κινητήρα diesel. Το πρωτόκολλο αυτό προσομοιώνει μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας, όπου ο κινητήρας αλλάζει από μεσαίο σε χαμηλό φορτίο, π.χ. εξαιτίας μιας ξαφνικής επιβράδυνσης του αυτοκινήτου. Η σύνθεση του καυσαερίου και τα χαρακτηριστικά των φίλτρων είναι ίδια όπως στην προηγούμενη παράγραφο. Η Εικ παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας του υποστρώματος για τα δύο συστήματα συναρτήσει του χρόνου κατά τη διάρκεια της δοκιμής ψύξης. Όπως προαναφέρθηκε στην Εικ. 7.9, η θερμική συμπεριφορά των δύο φίλτρων είναι όμοια και στην περίπτωση της ψύξης που αναλύεται εδώ.

206 19 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 5 Θερμοκρασία [ C] 15 t = 5 s t = 15 s t = 5 s t = 35 s t = 45 s t = 55 s Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.34: Κατανομές θερμοκρασίας τοιχώματος στη δοκιμή ψύξης των φίλτρων. Οι υπολογισμένες κατανομές θερμοκρασίας είναι όμοιες και για τα δύο φίλτρα (CDPF και zcdpf). Η Εικ παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές του CO τη χρονική στιγμή t=15 s. Σε αυτή τη χρονική στιγμή, η θερμοκρασία κοντά στην είσοδο του φίλτρου είναι πολύ χαμηλή για την οξείδωση του CΟ και στα δύο συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. 7.34, σε αυτή τη χρονική στιγμή η θερμοκρασία του υποστρώματος των φίλτρων είναι πάνω από τους 15 C μετά τα πρώτα 4 mm του μήκους τους περίπου. Εξαιτίας της αυξανόμενης θερμοκρασίας κατά μήκος των υποστρωμάτων των φίλτρων, η απόδοση μετατροπής του CO αυξάνεται και φτάνει το 5% στην αξονική θέση z=48 mm του καναλιού εξόδου του CDPF. Η αντίστοιχη απόσταση για το zcdpf είναι περίπου 5 mm μικρότερη, προφανώς εξαιτίας της υψηλότερης καταλυτικής δραστικότητας στο μπροστινό τμήμα.

207 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 191 Συγκέντρωση CO [ppm] CDPF CO είσοδος CDPF CO έξοδος zcdpf CO είσοδος zcdpf CO έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.35: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του CDPF και του zcdpf τη χρονική στιγμή t=15 s στη δοκιμή της ψύξης. Η Εικ παρουσιάζει τις υπολογισμένες κατανομές του CO τη χρονική στιγμή t=35 s. Σε αυτή τη χρονική στιγμή το μπροστινό μισό των φίλτρων είναι κάτω από τους 15 C. Παρόλο που το zcdpf είναι πιο δραστικό σε αυτή την περιοχή, και τα δύο συστήματα είναι πρακτικώς ανενεργά στα πρώτα 75 mm. Η απόδοση μετατροπής αυξάνει σημαντικά στο πίσω μέρος του CDPF, προσεγγίζοντας σχεδόν το 9% στην έξοδο. Αντιθέτως, η δραστικότητα του zcdpf στο θερμότερο πίσω μέρος είναι αρκετά μικρότερη, έχοντας ως αποτέλεσμα σε μία αισθητά μικρότερη απόδοση μετατροπής στην έξοδο του φίλτρου.

208 19 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Συγκέντρωση CO [ppm] CDPF CO είσοδος CDPF CO έξοδος zcdpf CO είσοδος zcdpf CO έξοδος Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.36: Υπολογισμένες κατανομές συγκέντρωσης CO κατά μήκος των καναλιών του CDPF και του zcdpf τη χρονική στιγμή t=35 s στη δοκιμή της ψύξης. Κοντά στην έξοδο των φίλτρων η συγκέντρωση του CO στο κανάλι εξόδου είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη στο κανάλι εισόδου στην ίδια αξονική θέση. Αυτό το φαινομενικά «παράδοξο» συμβαίνει εξαιτίας του γεγονότος ότι η συγκέντρωση στο κανάλι εξόδου είναι αποτέλεσμα ανάμιξης δύο ροών, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. 7.37: Της ροής κατά μήκος του καναλιού εξόδου και της ροής που έρχεται μέσα από το τοίχωμα από το κανάλι εισόδου. Κοντά στην έξοδο του φίλτρου η ροή που εισέρχεται στο τοίχωμα από το κανάλι εισόδου έχει μικρή συνιστώσα ταχύτητας, η οποία ευνοεί την τοπική μεταφοράμάζας από το κανάλι εισόδου στο τοίχωμα με επακόλουθη μείωση της τοπικής συγκέντρωσης του CO. Η χαμηλή αυτή συγκέντρωση μειώνεται περαιτέρω καθώς η ροή περνά μέσα από το καταλυτικό τοίχωμα. Ωστόσο, το σχετικό μέγεθος αυτής της ροής του τοιχώματος δεν είναι σημαντικό, συγκρινόμενο με την αξονική ροή κατά μήκος του καναλιού εξόδου, η οποία ρέει με μία τοπικά μεγαλύτερη συγκέντρωση CO. Επομένως, η ανάμιξη των δύο ροών έχει ως αποτέλεσμα σε μία συγκέντρωση η οποία κυριαρχείται από της τοπικά υψηλότερη συγκέντρωση του καναλιού εξόδου.

209 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 193 Παροχή μάζας καυσαερίου [kg/s*m²] Ροή τοιχώματος Ροή εξόδου Ροή εισόδου Παροχή μάζας ροής τοιχώματος [kg/s*m²] Μήκος μονόλιθου [mm] Εικ. 7.37: Υπολογισμένες κατανομές ροής καυσαερίου κατά μήκος των καναλιών του CDPF και του zcdpf τη χρονική στιγμή t=35 s στη δοκιμή της ψύξης. Στην Εικ παρουσιάζεται η χρονική εξέλιξη της απόδοσης μετατροπής των CO και HC στη δοκιμή ψύξης. Είναι φανερό ότι για τα δύο αέρια το CDPF διατηρεί τη μεγαλύτερή του απόδοση μετατροπής για μεγαλύτερη περίοδο σε σχέση με το zcdpf, ως αποτέλεσμα των συνδυασμένων θερμικών φαινομένων και φαινομένων μεταφοράς και αντίδρασης τα οποία αναλύθηκαν προηγουμένως. 1 Απόδοση μετατροπής [%] HC CDPF HC zcdpf CO zcdpf CO CDPF Χρόνος [s] Εικ. 7.38: Απόδοση μετατροπής των CO και HC συναρτήσει του χρόνου στη δοκιμή της ψύξης.

210 194 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 7.8 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε πειραματική και υπολογιστική μελέτη καταλυτικών φίλτρων με αξονικά ανομοιόμορφη κατανομή φόρτισης ευγενών μετάλλων. Η μελέτη περιλάμβανε φίλτρα με μεγαλύτερη ποσότητα καταλύτη στο μπροστινό τμήμα τους και σύγκριση με όμοια φίλτρα με ομοιόμορφη φόρτιση ευγενών μετάλλων. Το σκεπτικό είναι η αντικατάσταση ενός ομοιόμορφα φορτισμένου με ευγενή μέταλλα φίλτρου με αντίστοιχο, στο οποίο μόνο το μισό μπροστινό τμήμα του να έχει μεγάλη ποσότητα καταλύτη, ώστε να ελαχιστοποιηθεί το κόστος. Η μελέτη στηρίχτηκε σε μετρήσεις θέρμανσης ψύξης των καθαρών φίλτρων, για να προσδιοριστεί η μεταβατική οξειδωτική δραστηριότητά τους, όσον αφορά στους αέριους ρύπους του καυσαερίου των κινητήρων diesel. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει μετρήσεις σε δύο φίλτρα με ομοιόμορφη ποσότητα καταλύτη, το F-CDPF με την υψηλή φόρτιση και το R-CDPF με τη χαμηλή. Το μοντέλο επαληθεύτηκε στις μετρήσεις αυτές και εξήχθησαν οι παράμετροι των κινητικών του σχήματος αντιδράσεων του καταλυτικού τοιχώματος για τα δύο φίλτρα. Στη συνέχεια, οι κινητικές αυτές εφαρμόστηκαν με επιτυχία στις μετρήσεις του φίλτρου με αξονικά ανομοιόμορφη φόρτιση ευγενών μετάλλων, στο Z-CDPF, παράγοντας καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα όσον αφορά στην απόδοσης μετατροπής των CO, HC και ΝΟ. Το μοντέλο είναι επίσης ικανό να προβλέψει τα φαινόμενα προσρόφησης εκρόφησης των υδρογονανθράκων στο υπόστρωμα των φίλτρων. Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν μετρήσεις των τριών φίλτρων υπό συνθήκες παθητικής αναγέννησης και αναγέννησης σημείου ισορροπίας, υπό χαμηλές θερμοκρασίες. Επαληθεύτηκε η κινητική της οξείδωσης του άνθρακα με το NO, όπως παρουσιάστηκε σε αντίστοιχες μετρήσεις του κεφαλαίου 5. Οι διαφορές στην απόδοση αναγέννησης που προκύπτουν μεταξύ των συστημάτων F-CDPF και Z-CDPF είναι μικρές, δικαιολογώντας απόλυτα την πιθανή αντικατάσταση του πρώτου από το δεύτερο, με σημαντικό κέρδος στο κόστος παραγωγής λόγω της μικρότερης ποσότητας ευγενών μετάλλων στο δεύτερο μισό του μήκους του. Στη συνέχεια το μοντέλο δοκιμάστηκε με επιτυχία υπό συνθήκες εξαναγκασμένης αναγέννησης με τα τρία διαφορετικά φίλτρα. Όπως αναμένονταν από την προσομοίωση, η φόρτιση ευγενών μετάλλων και η ανομοιομορφία της καταλυτικής επίστρωσης δεν είχαν μεγάλη επίδραση στην εξέλιξη της συγκεκριμένης ενεργητικής αναγέννησης εξαιτίας του γεγονότος ότι τα φαινόμενα που συμβαίνουν υπό τέτοιες συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών δεν περιορίζονται από τις κινητικές των καταλυτικών αντιδράσεων στο τοίχωμα. Επιπλέον, με βάση τις κινητικές του κάθε φίλτρου, προσομοιώθηκαν μετρήσεις των φίλτρων σε νομοθετημένο μεταβατικό κύκλο οδήγησης που διεξήχθησαν σε όχημα. Η επίδραση της ανομοιομορφίας του καταλύτη είναι πιο σημαντική στην περίπτωση ενός συστήματος απλού CDPF, στην οποία το φίλτρο εκτελεί, εκτός των άλλων, και χρέη οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα. Αντιθέτως, στην περίπτωση όπού το CDPF τοποθετείται κατάντη ενός DOC, οι υπολογισμένες διαφορές στην αθροιστική μάζα των αερίων χημικών ουσιών είναι μικρότερες. Τέλος, παρουσιάστηκε μία καθαρά υπολογιστική σύγκριση των μεταβατικών χαρακτηριστικών απόδοσης ενός CDPF και ενός zcdpf με ίδια ποσότητα ευγενών μετάλλων σε δοκιμή θέρμανσης και ψύξης των φίλτρων. Στην περίπτωση μιας προσομοιωμένης ψυχρής εκκίνησης αποδείχτηκε ότι ένα φίλτρο με περισσότερο καταλύτη στο μπροστινό τμήμα είναι ευεργετικότερο για τη μετατροπή του CO. Στην ίδια δοκιμή, η απόδοση μετατροπής των HC φάνηκε να επηρεάζεται από περιορισμούς μεταφοράς μάζας

211 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ 195 στο μπροστινό τμήμα, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα σε χαμηλότερη μετατροπή του στο φίλτρο με ανομοιόμορφη κατανομή καταλύτη σε συνθήκες πλήρους θέρμανσης του φίλτρου. Σε προσομοίωση μεταβατικής ψύξης, το ίδιο φίλτρο με την ανομοιόμορφη κατανομή καταλύτη αποδείχθηκε κατώτερο και για τους δύο αέριους ρύπους. Η αποδοτικότητα του αντιδραστήρα αναλύθηκε εξετάζοντας τις μεταβατικές κατανομές θερμοκρασίας των φίλτρων και συγκεντρώσεων των χημικών ουσιών στα κανάλια εισόδου και εξόδου. Παρουσιάστηκε ότι η απόδοση μετατροπής είναι σύνθετη συνάρτηση των θερμικών φαινομένων και φαινομένων μεταφοράς και αντίδρασης των χημικών ουσιών.

212 196 ΑΝΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Punke A., Grubert G., Li Y., Dettling J., Neubauer T., 6. Catalyzed Soot Filters in Close Coupled Position for Passengers Vehicles. SAE paper Koltsakis G. C., Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Samaras Z. C. Vogt C. D., Ohara E., Watanabe Y., Mizutani T., 5. Performance of Catalyzed Particulate Filters without Upstream Oxidation Catalyst. SAE paper Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 4. Back-Diffusion Modeling of NO in Catalyzed Particulate Filters. Industrial & Engineering Chemistry Research, 43, pp Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 4. Oxygen Diffusion Modeling in Diesel Particulate Filter Regeneration. AIChE Journal, 5, Dardiotis C. K., Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 6. Catalytic Oxidation Performance of Wall-Flow vs Flow-through Monoliths for Diesel Emissions Control. Industrial & Engineering Chemistry Research, 45, pp Dardiotis C. K., Haralampous O. A., Koltsakis G. C., 8. Catalytic Oxidation in Wall-Flow Reactors with Zoned Coating. Chemical Engineering Science, 63, pp Koltsakis G. C., Dardiotis C. K., Samaras Z. C. Frey M., Wenninger G., Krutzsch B., Haralampous O. A., 8. Model-based Optimization of Catalyst Zoning in Diesel Particulate Filters. SAE paper Ogyu K., Ohno K., Sato H., Hong S. and Komori T., 4. Ash Storage Capacity Enhancement of Diesel Particulate Filter. SAE Technical Paper Pontikakis G. N., Koltsakis G. C., Stamatelos A. M., Noirot R., Agliany Y., Colas H., Versaevel Ph., Bourgeois C. 1. Experimental and Modeling Study on Zeolite Catalysts for Diesel Engines. Topics in Catalysis, 6/17, Nos. 1-4, pp Frey M., Wenninger G., Krutzsch B., Koltsakis, G.C, Haralampous O., Samaras Z. C., 7. D Simulation of the Regeneration Performance of a Catalysed DPF for Heavy-Duty Applications. Topics in Catalysis, 4-43 (1-4), pp Kalogirou M., Katsaounis D., Koltsakis G.C, Samaras Z. C., 7. Measurements of Diesel Soot Oxidation Kinetics in an Isothermal Flow Reactor Catalytic Effects Using Pt-based Coatings. Topics in Catalysis, 4-43 (1-4), pp Haralampous O. A., Dardiotis C. K., Koltsakis G. C., Samaras Z. C., 4. Study of Catalytic Regeneration Mechanisms in Diesel Particulate Filters using Coupled Reaction- Diffusion Modeling. SAE Muntean G., Rector D. Herling D., Lessor D., Khaleel M., 3. Lattice-Boltzmann Diesel Particulate Filter Sub-Grid Modeling- A Progress Report. SAE paper

213 8 ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκε η μελέτη των φαινομένων μεταφοράς μάζας και ενέργειας που λαμβάνουν χώρα λόγω των χημικών αντιδράσεων σε κεραμικά φίλτρα σωματιδίων με καταλυτική επίστρωση. Το μεγαλύτερο μέρος της μελέτης βασίστηκε σε ερμηνεία στοχευμένων πειραμάτων, τα οποία καλύπτουν μεγάλο εύρος διατάξεων αντιρρύπανσης και πιθανών συνθηκών λειτουργίας αυτών. Η ερμηνεία των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια υπολογιστικών εργαλείων προσομοίωσης της λειτουργίας του καταλυτικού φίλτρου και του καταλυτικού οξειδωτικού μετατροπέα. Μελετήθηκαν φίλτρα με μεγάλο και μικρό μέσο μέγεθος πόρων στην απόδοση διήθησης και στην πτώση πίεσης υπό ποικίλες συνθήκες φόρτισης. Η παρουσία της καταλυτικής επικάλυψης αυξάνει την απόδοση διήθησης, ανεξάρτητα από τις συνθήκες παροχής του καυσαερίου. Τα φίλτρα με μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων έχουν αισθητά χαμηλότερη απόδοση φιλτραρίσματος και απαιτούν αρκετά περισσότερο χρόνο για να επιτύχουν τιμές απόδοσης 1%. Παρουσιάστηκε και επαληθεύτηκε ένα νέο ημι-εμπειρικό μοντέλο υπολογισμού της απόδοσης διήθησης του αρχικά καθαρού και στη συνέχεια μερικώς φορτισμένου τοιχώματος του φίλτρου αιθάλης. Σε συνθήκες υψηλής παροχής και σε υπόστρωμα με μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων, η αιθάλη που συσσωρεύεται στο τοίχωμα είναι περισσότερη, επηρεάζοντας στη συνέχεια τη συμπεριφορά του φίλτρου κατά την αναγέννηση. Το φίλτρο με το μεγάλο μέσο μέγεθος πόρων επιδεικνύει μικρότερη πτώση πίεσης, όταν είναι καθαρό, αλλά όταν φορτιστεί η πτώση πίεσής του είναι μεγαλύτερη, λόγω της μεγαλύτερης ποσότητας αιθάλης που συγκρατεί στο τοίχωμά του. Όμοια, η μεγάλη ποσότητα της καταλυτικής επικάλυψης προκαλεί υπερβολική αύξηση της πτώσης πίεσης του φορτισμένου φίλτρου, αφού μπλοκάρουν κρίσιμα περάσματα της ροής και μειώνεται η διαπερατότητα του φορτισμένου τοιχώματος. Μελετήθηκε η επίδραση της μερικής αναγέννησης στην πτώση πίεσης. Στην περίπτωση αυτή η πτώση πίεσης σε φόρτιση μετά από μερική αναγέννηση είναι μικρότερη για δεδομένη μάζα αιθάλης, γιατί το τοίχωμα έχει αδειάσει και η διαπερατότητά του έχει αυξηθεί. Διερευνήθηκε η οξειδωτική δραστηριότητα συστημάτων απλού CDPF και συστήματος DOC και CDPF. Τα συστήματα με τον DOC ανάντη αποδείχτηκαν πιο αποδοτικά στην οξείδωση των αερίων ρύπων του καυσαερίου. Με τη βοήθεια των μετρήσεων θέρμανσης ψύξης, επαληθεύτηκαν τα καταλυτικά οξειδωτικά μοντέλα προσομοίωσης και εξήχθησαν οι παράμετροι των κινητικών των αντίστοιχων αντιδράσεων, στο τοίχωμα του CDPF και στα κανάλια του DOC. Ακολούθησε μία καθαρά υπολογιστική διερεύνηση που σκοπό έχει τη σύγκριση της οξειδωτικής δραστηριότητας ενός αντιδραστήρα ροής δια μέσω του τοιχώματος με έναν αντίστοιχο διαμπερούς ροής. Η απόδοση μετατροπής των αερίων χημικών ουσιών ενός CDPF εξαρτάται από θερμικά, χημικά, και φαινόμενα μεταφοράς μάζας, τα οποία λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα στο εσωτερικό του φίλτρου. Υπό σταθερές συνθήκες λειτουργίας, το CDPF έχει μεγαλύτερη απόδοση μετατροπής σε σχέση με έναν αντίστοιχο DOC ίδιων διαστάσεων και καταλυτικής φόρτισης, υπό συνθήκες που ελέγχονται από τη διάχυση της μεταφοράς μάζας (υψηλή θερμοκρασία και παροχή καυσαερίου). Υπό συνθήκες που περιορίζονται από την κινητική των αντιδράσεων, και τα δύο συστήματα έχουν την ίδια απόδοση. Όσον αφορά στην προσομοίωση ψυχρής εκκίνησης, το CDPF

214 198 ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ αποδείχτηκε ότι είναι κατώτερο, σε σχέση με τον DOC, παρόλο που οι συνολικά μεγαλύτεροι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας οδηγούν σε γρηγορότερη θερμική απόκριση του CDPF. Η εξέταση των συστημάτων αντιρρύπανσης συνεχίστηκε με τη μελέτη της παθητικής αναγέννησης υπό χαμηλή θερμοκρασία. Στους 33 C τα συστήματα με DOC ανάντη αποδεικνύονται πιο αποτελεσματικά στην αναγέννηση, λόγω της αυξημένης συγκέντρωσης του ΝΟ που εισέρχεται στο CDPF. Αντιθέτως, στους 4 C, ο μηχανισμός της παραγωγής του ΝΟ στο καταλυτικό τοίχωμα και η διάχυσή του προς τη σωματιδιακή στρώση στο κανάλι εισόδου λόγω της διαφοράς συγκεντρώσεων μεταξύ των δύο περιοχών, φαίνεται να υπερισχύει. Αναγνωρίστηκε ο μηχανισμός διάχυσης του ΝΟ ως ο κύριος μηχανισμός αναγέννησης σε καταλυτικές παγίδες. Το μοντέλο προσομοίωσης της παθητικής αναγέννησης με τη συμπερίληψη της διάχυσης επαληθεύτηκε και εξήχθησαν οι παράμετροι της κινητικής της αντίδρασης της αιθάλης με το ΝΟ, η οποία αποδείχθηκε ότι κυριαρχεί σε συνθήκες αναγέννησης χαμηλής θερμοκρασίας. Ακολούθησε μία παραμετρική διερεύνηση της συνεισφοράς του μηχανισμού της διάχυσης σε ποικίλες συνθήκες παροχής, θερμοκρασίας και συγκέντρωσης ΝΟ x. Η διάχυση συνεισφέρει μέχρι και 4% στη συνολική μάζα που καταναλώνεται, μέχρι τους 45 C. Από εκεί και πάνω, ο μηχανισμός της αναγέννησης που επικρατεί είναι η θερμική οξείδωση της αιθάλης με το Ο. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε αποδεικνύεται αξιόπιστο εργαλείο βελτιστοποίησης της κατανομής των ευγενών μετάλλων μεταξύ του DOC και του CDPF, με όφελος στο κόστος σε σχέση με τα αντίστοιχα πειράματα που θα απαιτούνταν. Ακολούθησε η εξέταση της συμπεριφοράς των καταλυτικών φίλτρων σε συνθήκες εξαναγκασμένης αναγέννησης, υπό υψηλή θερμοκρασία καυσαερίου. Παρουσιάστηκαν αποτελέσματα καταστροφικών αναγεννήσεων με διαφορετική διάρκεια δευτερογενούς έγχυσης συστήματος DOC και CDPF. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αντίστοιχα απλού συστήματος CDPF, στο οποίο η εξωθερμία που παράγεται μέσα στο φίλτρο λόγω της καύσης των αερίων ρύπων υψηλής συγκέντρωσης κατά τη διάρκεια της δευτερογενούς έγχυσης, προκαλεί μεγαλύτερες θερμοκρασίες και καλύτερο βαθμό απόδοσης αναγέννησης. Αν η φόρτιση της αιθάλης ελέγχεται σε επίπεδα κάτω από ένα προσεκτικά επιλεγμένο όριο (στα 8 g/l περίπου) μέσω του συστήματος ελέγχου της αναγέννησης, τότε τα δύο συστήματα επιδεικνύουν συγκρίσιμες αποδόσεις αναγέννησης και μέγιστες θερμοκρασίες. Προσομοιώθηκε για πρώτη φορά καταλυτικό φίλτρο με δύο ζώνες καταλυτικής επίστρωσης διαφορετικής δραστικότητας. Ταυτόχρονα, προτάθηκε και εφαρμόστηκε πειραματική μεθοδολογία προσαρμογής των αντίστοιχων σταθερών χημικής κινητικής για κάθε ζώνη. Στην παθητική αναγέννηση, οι διαφορές μεταξύ του ομοιόμορφου φίλτρου και του αντίστοιχου με περισσότερη πλατίνα στο μπροστινό του μισό είναι μικρές, δικαιολογώντας απόλυτα τη χρησιμοποίηση του τελευταίου, σε μία προσπάθεια μείωσης του κόστους του καταλυτικού φίλτρου. Σε συνθήκες εξαναγκασμένης αναγέννησης οι διαφορές που προκύπτουν στην αποδοτικότητα του κάθε φίλτρου είναι ελάχιστες, αφού ο μηχανισμός καύσης που υπερισχύει είναι η αντίδραση του άνθρακα με το Ο, ανεξάρτητη από την ύπαρξη καταλύτη στο υπόστρωμα. Το ανομοιόμορφα επικαλυμμένο φίλτρο είναι αποδοτικότερο στην οξείδωση των αερίων ρύπων στη φάση της θέρμανσης, αλλά μειονεκτεί στην αντίστροφη ψύξη, σε σχέση με το ομοιόμορφα επικαλυμμένο. Κλείνοντας, το βέλτιστο σύστημα αντιρρύπανσης θα ήταν ο συνδυασμός ενός DOC και ενός CDPF χωρισμένου σε ζώνες διαφορετικής δραστικότητας. Το σύστημα θα πρέπει να είναι βελτιστοποιημένο με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο αραιά τα

215 ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ 199 διαστήματα ενεργητικής αναγέννησης, για την ελαχιστοποίηση της αύξησης της κατανάλωσης λόγω της δευτερογενούς έγχυσης. Η αναγέννηση της αιθάλης θα πρέπει να βασίζεται σε παθητικά μέσα, ο όγκος του DOC να είναι μικρός για να θερμαίνεται γρήγορα σε ψυχρή εκκίνηση και όσο το δυνατόν κοντά στο στρόβιλο. Το σύστημα πρέπει να είναι σε κοινό κάνιστρο για να μεταφέρεται η θερμότητα λόγω της εξωθερμίας από τον DOC στο φίλτρο με τις ελάχιστες απώλειες, και φυσικά να είναι τοποθετημένο πριν το δάπεδο του οχήματος για να προστατεύεται από το ρεύμα το αέρα, το οποίο θα το έψυχε.

216

217 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

218

219 A ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 1 Εισαγωγή Το μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης του φίλτρου αιθάλης που περιγράφεται είναι κατάλληλο για γεωμετρίες δύο και τριών διαστάσεων. Το μοντέλο βασίζεται στην προσομοίωση αντιπροσωπευτικών τομέων στους οποίους όλα τα κανάλια συμπεριφέρονται όμοια. Οι τομείς αυτοί μπορεί να είναι δακτύλιοι ή τετραγωνικοί για την αξισυμμετρική δισδιάστατη ή την τρισδιάστατη προσομοίωση αντίστοιχα. Στην Εικ. A.1 που ακολουθεί, παρουσιάζεται μία σχηματική παράσταση του πλέγματος του φίλτρου για τις δύο περιπτώσεις διακριτοποίησης που αναφέρθηκαν. μόνωση Insulating mat Filter φίλτρο R Metal Can μεταλλικό περίβλημα Z Εικ. A.1: Σχηματική παράσταση του πλέγματος του φίλτρου για τις περιπτώσεις αξισυμμετρικής δισδιάστατης και τρισδιάστατης προσομοίωσης. Συμπεριλαμβάνονται οι κόμβοι της μόνωσης και του μεταλλικού περιβλήματος. Το φίλτρο αιθάλης, αν και στηρίζεται σε μια απλή αρχή λειτουργίας, παρουσιάζει μεγάλη πολυπλοκότητα φυσικών και χημικών φαινομένων. Στον Πιν. A.1 παρουσιάζονται τα βασικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο φίλτρο. Χρησιμοποιούνται δύο κατηγοριοποιήσεις, μία με βάση το είδος του φαινομένου (θερμικό, ροϊκό, χημικό) και μία με βάση την κλίμακά του (φίλτρο, κανάλι, τοίχωμα). Αυτή η κατηγοριοποίηση εξυπηρετεί τόσο την κατανόηση της λειτουργίας του φίλτρου όσο και την κατάστρωση του μαθηματικού και υπολογιστικού μοντέλου. Η κατηγοριοποίηση σε είδη αντικατοπτρίζει τα διαφορετικά ισοζύγια που εξετάζονται. Τα θερμικά φαινόμενα εκφράζονται μαθηματικά με το ισοζύγιο ενέργειας. Τα ροϊκά φαινόμενα με το ισοζύγιο μάζας και ορμής. Τέλος τo ισοζύγιο των χημικών ουσιών περιγράφει μαθηματικά τα χημικά φαινόμενα. Στα τελευταία συμπεριλαμβάνεται και η συσσώρευση αιθάλης, αν και τυπικά είναι ένα φυσικό φαινόμενο, καθώς επηρεάζει το ισοζύγιο της αιθάλης. Ο διαχωρισμός σε είδη και κλίμακες φαινομένων δεν αποκλείει την αλληλεπίδρασή τους. Αντιθέτως τις πιο πολλές φορές η σύζευξη των φαινομένων είναι καθοριστική για τη συμπεριφορά της παγίδας και γι αυτό είναι απαραίτητη η ταυτόχρονη επίλυση όλων των φαινομένων ανεξαρτήτως κλίμακας και είδους.

220 4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Πιν. A.1: Βασικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο φίλτρο αιθάλης Κλίμακα φαινομένου Είδος φαινομένου Θερμικό Ροϊκό Χημικό Φίλτρο Αγωγή θερμότητας Κατανομή της ροής καυσαερίου στην είσοδο Απώλειες συναγωγής και ακτινοβολίας προς το περιβάλλον Κατανομή της ροής σωματιδίων στην είσοδο Κανάλι P 1, T 1, C 1, v 1 Συναγωγή θερμότητας λόγω αξονικής ροής Πτώση πίεσης λόγω αξονικής ροής Μοριακή διάχυση ανάμεσα στο κανάλι και το τοίχωμα Ακτινοβολία θερμότητας μεταξύ των τοιχωμάτων Μεταφορά μάζας και ορμής μεταξύ των καναλιών εισόδου-εξόδου Συσσώρευση αιθάλης μέσα στο κανάλι Τοίχωμα Συναγωγή θερμότητας λόγω ροής τοιχώματος Πτώση πίεσης στο τοίχωμα και τη σωματιδιακή στρώση Μοριακή διάχυση εγκάρσια στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα Έκλυση θερμότητας λόγω αντιδράσεων Αντιδράσεις στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα Γεωμετρία καναλιού Στην Εικ. A. παρουσιάζονται οι δύο βασικές γεωμετρίες καναλιού που υποστηρίζονται από το μοντέλο. Το (α) είναι το κανονικό τετραγωνικό κανάλι με όμοια κανάλια εισόδου και εξόδου. Το (β) είναι μία ασύμμετρη σχεδίαση με μεγάλα 8-πλεύρα κανάλια εισόδου

221 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 5 και μικρότερα κανάλια εξόδου. Ο σχεδιασμός αυτός είναι διαθέσιμος υπό τo κατοχυρωμένο εμπορικό σήμα Octosquare [1]. d c3 d w s d c1 w s (α) Τετραγωνικό (b) Octosquare Εικ. A.: Βασικές γεωμετρίες καναλιού. Το μοντέλο υπολογίζει αυτόματα τις βασικές γεωμετρικές παραμέτρους και για τους δύο σχεδιασμούς καναλιών. Για το τετραγωνικό σχήμα, το πλάτος του καναλιού και η υδραυλική διάμετρος συμπίπτουν: d = d c1 = d c = 1 w cpsm s d c Για την οκταγωνική γεωμετρία εφαρμόζονται πιο πολύπλοκοι τύποι: (A.1) d c1 1 = ws d 1+ c1 cpsm d c (A.) όπου ο λόγος του καναλιού εισόδου προς εξόδου d c1 d c δίνεται ως δεδομένο εισόδου. d = c d d c1 d c1 c (A.3) ( ) w d d c c d c d 1 c = s (A.4) Τελικά η υδραυλικές διάμετροι του καναλιού εισόδου και εξόδου υπολογίζονται από τις ακόλουθες μαθηματικές εκφράσεις: d 1 = d c1 d c d 1 c3 ( 1) d c3 (A.5)

222 6 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ d = d (A.6) c 3 Ισοζύγιο μάζας / ορμής Η πρόβλεψη της πτώσης πίεσης του φίλτρου απαιτεί τη μαθηματική περιγραφή των ισοζυγίων μάζας και ορμής. Το γεωμετρικό σχήμα του φίλτρου υπαγορεύει τη διαίρεση του συνολικού προβλήματος σε δύο υπό-προβλήματα Το πρώτο που παρουσιάζεται στη βιβλιογραφία ως πρόβλημα μεμονωμένου καναλιού (single-channel model), αφορά την επίλυση των πεδίων πίεσης και ροής σε ένα μεμονωμένο κανάλι για δεδομένη παροχή μάζας. Το δεύτερο υπό-πρόβλημα, γνωστό ως πρόβλημα πολλαπλών καναλιών (multichannel), αφορά τον προσδιορισμό της κατανομής ροής στη είσοδο του φίλτρου και των προσδιορισμό των πεδίων πίεσης και ροής σε όλο το φίλτρο. Τα αποτελέσματα του πρώτου υπό-προβλήματος αξιοποιούνται στην επίλυση του δεύτερου. 3.1 Μοντέλο μεμονωμένου καναλιού Στην Εικ. A.3 παρουσιάζεται ο όγκος ελέγχου του προβλήματος πτώσης πίεσης του μεμονωμένου καναλιού. Περιλαμβάνει ένα ολόκληρο κανάλι εισόδου και τέσσερα τέταρτα καναλιών εξόδου. Κατά μήκος του φίλτρου αναμένονται διακυμάνσεις της πτώσης πίεσης και της ταχύτητας της ροής στα κανάλια εισόδου και εξόδου. Αρχικά, παρουσιάστηκε από τον Bissett [ ] ένα μονοδιάστατο μοντέλο, το οποίο μπορούσε να περιγράψει επαρκώς τις μεταβολές πίεσης και ταχύτητας μέσα σε ένα κανάλι. Το εκτεταμένο μοντέλο, που παρουσιάζεται εδώ, περιλαμβάνει τους παρακάτω όρους απώλειας πίεσης: Πτώση πίεσης λόγω στρωτής αξονικής ροής μέσα στα κανάλια. Πτώση πίεσης σύμφωνα με το νόμο του Darcy για τη ροή εγκάρσια o στη σωματιδιακή στρώση και o στο τοίχωμα. Εικ. A.3: Όγκος ελέγχου του προβλήματος μεμονωμένου καναλιού. Το ισοζύγιο μάζας για το καυσαέριο που διαρρέει τα κανάλια εισόδου και εξόδου, δίνεται από τη σχέση:

223 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 7 z N d i ( ρivi ) = ( 1) ρwvw (A.7) Όπου ο δείκτης i αντιπροσωπεύει τις περιοχές 1 (κανάλι εισόδου) και (κανάλι εξόδου), και το μέγεθος N τον αριθμό των διαπερατών πλευρών του καναλιού. Η τιμή της τελευταίας μεταβλητής είναι κανονικά 4 και μπορεί να γίνει 3 ή για κανάλια που συνορεύουν με τσιμέντο. Το ισοζύγιο ορμής του καυσαερίου στα δύο κανάλια μπορεί να διατυπωθεί όπως παρακάτω, λαμβάνοντας υπόψη την ανταλλαγή μάζας διαμέσου του πορώδους τοιχώματος και τις δυνάμεις τριβών στην αξονική διεύθυνση z : p i z + z α1 ( ρivi ) = μv d i i (A.8) Το δεξί μέρος της εξίσωσης βασίζεται στην υπόθεση ότι η ροή στα κανάλια είναι στρωτή, γεγονός το οποίο ισχύει σε συνήθεις συνθήκες λειτουργίας. soot b wall x d v w w s v w Εικ. A.4: Σχηματική παράσταση της ροή του καυσαερίου διαμέσου της σωματιδιακής στρώσης και του τοιχώματος του φίλτρου. Στην Εικ. A.4 παρουσιάζεται η εγκάρσια τομή της σωματιδιακής στρώσης μέσα στο κανάλι, η οποία έχει σχήμα τραπεζίου. Με βάση τα γεωμετρικά μεγέθη του σχήματος, το πλάτος της σωματιδιακή στρώσης δίνεται από τη σχέση: b ( x) d ( w x) = (A.9) Το πάχος της σωματιδιακής στρώσης w μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω μαθηματική έκφραση:

224 8 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ w = d 1 d m p ρ V cpsm p trap (A.1) Όπου V trap είναι ο «ενεργός» όγκος της παγίδας, εξαιρουμένου του «νεκρού» όγκου του τσιμέντου και του μήκους των βυσμάτων στην είσοδο και έξοδο του φίλτρου. Ξεκινώντας από τη βασική εξίσωση πτώσης πίεσης του Darcy, το διαφορικό της πίεσης στο πάχος dx είναι: dp dx μv = ( x) k p (A.11) Αν και η παροχή μάζας είναι σταθερή εγκάρσια στη σωματιδιακή στρώση (διεύθυνση x), η ταχύτητα μεταβάλλεται λόγω αλλαγής της πυκνότητας του καυσαερίου και της διαθέσιμης επιφάνειας ροής όπως φαίνεται από την εξίσωση της συνέχειας: v ( x) ρ wv = ρ w d ( x) b( x) (A.1) Επιπλέον η πυκνότητα του καυσαερίου στη διεύθυνση x εξαρτάται από την τοπική πίεση. Με τη ρεαλιστική παραδοχή ιδανικού αερίου, η πυκνότητα εκφράζεται ως: ρ ( x) = p ( x) M RT g (A.13) Η διαπερατότητα του στρώματος αιθάλης εξαρτάται από τη μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων του αερίου λόγω φαινομένων διαρροής (slip). Στη βιβλιογραφία είναι λίγες οι διαθέσιμες πειραματικές μελέτες που έχουν ασχοληθεί με αυτή την εξάρτηση. Το παρόν μοντέλο βασίζεται στην παρακάτω σχέση που προτείνεται στο [3]: k p + C p T = k p, 1 4 μ p M g (A.14) Ο παραπάνω τύπος εκφράζει την εξάρτηση της διαπερατότητας της αιθάλης από την τοπική θερμοκρασία και πίεση. Δύο παράμετροι αυτού του τύπου (τα και C ) πρέπει k p, 4 να εκτιμηθούν με βάση πειραματικά δεδομένα. Η μεθοδολογία αυτή περιγράφεται στα [ 4, 5]. Ολοκληρώνοντας την Εξ. (A.11) και λαμβάνοντας υπόψη τις Εξ. (A.1)-(A.14), προκύπτει η συνολική πτώση πίεσης σε όλο το πάχος του στρώματος αιθάλης: Δp soot ( ρ v ) RT μdρ wvw d βdw w = ln + M g p k p ( p) d w d w w (A.15) Σύμφωνα με την Εξ.(A.14), το k P είναι συνάρτηση της τοπικής πίεσης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η πίεση μειώνεται στη διεύθυνση ροής x διαμέσου του στρώματος αιθάλης, η διαπερατότητα θα έπρεπε να είναι συνάρτηση του x. Η εισαγωγή αυτής της εξάρτησης

225 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 9 στην αναλυτική επίλυση θα περιέπλεκε εξαιρετικά τη λύση. Αντί αυτού, είναι δυνατό να υπολογιστεί η διαπερατότητα της αιθάλης σε μια πίεση ίση με τη μέση τιμή των πιέσεων εισόδου και εξόδου. p = p 1 + p (A.16) Έχει διαπιστωθεί ότι το σφάλμα λόγω αυτής της απλοποίησης είναι μικρότερο του 1% για την περιοχή ενδιαφέροντος σε εφαρμογές παγίδων αιθάλης. Η πτώση πίεσης διαμέσου του πορώδους τοιχώματος του φίλτρου για συνηθισμένα φίλτρα και συνθήκες λειτουργίας είναι σχετικά μικρή. Αυτό επιτρέπει τη θεώρηση σταθερής ταχύτητας ροής διαμέσου του τοιχώματος. Επιπλέον ο αδρανειακός όρος (Forchheimer) μπορεί να αμεληθεί χωρίς σημαντικό σφάλμα [6] και η πτώση πίεσης να περιγραφεί από το νόμο του Darcy: Δ p wall μv = k s w w s (A.17) Η εξάρτηση της διαπερατότητας του τοιχώματος από τη θερμοκρασία και την πίεση λαμβάνεται υπόψη, παρόμοια με την Εξ.(A.14), ενώ συμπεριλαμβάνεται και μία επιπλέον διόρθωση για να περιγραφεί το φαινόμενο της απότομης αύξησης της πτώσης πίεσης στα αρχικά στάδια της φόρτισης. k s = 1 k s, + C 1 1 ρ P + C ρ P 1 + C 4 p μ p T M g (A.18) Η διαπερατότητα του καθαρού τοιχώματος και οι παράμετροι και C ορίζουν μία ks, C1 τριωνυμική συνάρτηση της φόρτισης αιθάλης μέσα στο τοίχωμα ρ P, η οποία ορίζεται ως η συνολική αιθάλη που συσσωρεύεται στο τοίχωμα ανά όγκο τοιχώματος. Για τον προσδιορισμό των παραμέτρων αυτών είναι απαραίτητες οι παρακάτω τιμές: Η μέγιστη χωρητικότητα αιθάλης του τοιχώματος Η διαπερατότητα του φορτισμένου τοιχώματος Επιπλέον, πρέπει να είναι συνεχής η κλίση της πτώσης πίεσης στο σημείο κορεσμού του τοιχώματος. Με βάση την παραπάνω ανάλυση για τη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα, η πτώση πίεσης μεταξύ του καναλιού εισόδου και εξόδου είναι: p p = Δp soot + Δp (A.19) 1 wall Με δεδομένα την παροχή καυσαερίου και την πίεση εξόδου, επιλύονται τα ισοζύγια μάζας και ορμής για να προσδιοριστούν η ταχύτητα v 1 ( z), v ( z), το πεδίο πίεσης p 1 () z, p ( z) v W z. στα κανάλια εισόδου και εξόδου, καθώς και η ταχύτητα διαμέσου του τοιχώματος ( ) Στην Εικ. A.5 παρουσιάζεται ένα ισοδύναμο υδραυλικό κύκλωμα το οποίο επιλύεται επαναληπτικά για να προσδιοριστεί το πεδίο ροής και πίεσης όπως περιγράφεται στο [7].

226 1 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Ξεκινώντας από τον κόμβο, όπου η πίεση ταυτίζεται με την πίεση εξόδου και τον κλάδο 1- όπου η παροχή ισούται με τη συνολική παροχή στο κανάλι, υπολογίζεται η πίεση στον κόμβο 1. Μια πρώτη εκτίμηση γίνεται για την πίεση στον κόμβο και έτσι είναι δυνατό να προσδιοριστεί η ροή στον κλάδο -1. Κατόπιν οι ροές στους κλάδους 4- και 3-1 υπολογίζονται εύκολα από τα ισοζύγια μάζας στους κόμβους και 1. Οι πιέσεις στους κόμβους 4 και 3 προσδιορίζονται λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβολές πίεσης στους κλάδους 4- και 3-1 και ακόλουθα χρησιμοποιούνται για να υπολογιστεί η παροχή στον κλάδο 4-3. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι τον κόμβο 5. Αν η παροχή στον κλάδο 6-5 δεν είναι ίση με την παροχή εισόδου μια διόρθωση εφαρμόζεται στη θεώρηση πίεσης στον κόμβο και η καινούργια τιμή δοκιμάζεται. Η περιγραφόμενη μέθοδος υπολογισμού απαιτεί πολύ μικρό υπολογιστικό χρόνο, γιατί είναι προσαρμοσμένη στην γεωμετρία του καναλιού. Αντίσταση αξονικής ροής Αντίσταση ροής διαμέσου σωματιδιακής στρώσης και τοιχώματος Εικ. A.5: Ισοδύναμο υδραυλικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την επίλυση του πεδίου ροής στο πρόβλημα μεμονωμένου καναλιού. Αξίζει να αναφερθεί ότι θεωρητικά είναι πιθανό να υπάρχει αντίστροφη ροή στο τοίχωμα σε μία μικρή περιοχή του καναλιού υπό συνθήκες υπερβολικής φόρτισης αιθάλης. Ο αλγόριθμος που περιγράφηκε είναι ικανός να υπολογίζει τέτοια πεδία ροής. 3. Μοντέλο πολλαπλών καναλιών Όπως φαίνεται στην Εικ. A.1, ο μονόλιθος διαιρείται σε τομείς για τον υπολογισμός της κατανομής της ακτινικής ροής. Όπως φαίνεται στην Εικ. A.6, η ροή διαχωρίζεται στο διαχύτη σε πλήθος παράλληλων κλάδων, οι οποίοι συγκλίνουν στο συλλέκτη μετά την έξοδο από το φίλτρο. Κάθε κλάδος αντιστοιχεί σε ένα τομέα του φίλτρου και περιλαμβάνει τους ακόλουθους όρους απώλειας πίεσης: Απώλεια πίεσης μέσα στο κανάλι Απώλεια πίεσης στο διαχύτη Απώλειες πίεσης λόγω απότομης στένωσης / διεύρυνσης Απώλεια πίεσης μέσα στο κανάλι Η επίλυση του συστήματος εξισώσεων του μοντέλου μεμονωμένου καναλιού παρέχει τη συνολική πτώση πίεσης για τα κανάλια κάθε τομέα:

227 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 11, i = p1, i ( z = ) p i ( z L) Δ p, channel = (A.) Αντίσταση διαχύτη Αντίσταση καναλιού Αντίσταση απότομης στένωσης Αντίσταση απότομης διεύρυνσης Εικ. A.6: Ισοδύναμο υδραυλικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την επίλυση του πεδίου ροής στο πρόβλημα πολλαπλών καναλιών. Απώλεια πίεσης διαχύτη Η απώλεια πίεσης του διαχύτη εξαρτάται από τη γεωμετρία της εισόδου του φίλτρου. Αυτό φαίνεται στην ακόλουθη σχέση από την αναλογία των επιφανειών ροής και ένα ημιεμπειρικό συντελεστή ζ ο οποίος διαφέρει για κάθε τομέα. i Δ p i diffuser, i = 1 ζ Ain m& i A out ρin A sec (A.1) Απώλειες πίεσης λόγω στένωσης / διεύρυνσης Το μέρος της μετωπικής επιφάνειας του φίλτρου που αντιστοιχεί στα βύσματα και τα τοιχώματα είναι αδιαπέραστο από τη ροή. Έτσι το καυσαέριο όταν συναντά τη μετωπική επιφάνεια του φίλτρου, αναγκάζεται να συμπτυχθεί στα ανοιχτά κανάλια. Ομοίως κατά την έξοδο από το φίλτρο η ροή διευρύνεται από τα ανοιχτά κανάλια στο σύνολο της διαθέσιμης επιφάνειας. Η απότομη στένωση της ροής στην είσοδο του φίλτρου και η απότομη διεύρυνση στην έξοδο προκαλούν απώλειες πίεσης, οι οποίες προσδιορίζονται με τις ακόλουθες σχέσεις του Wärmeatlas [8] αντίστοιχα: Δp contraction ( d w) ρ1v1 ( d + w ) z= = w (A.) d ρv z= Δp expansion = 1 ( d w ) + w L (A.3)

228 1 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Μεταβολές πίεσης Bernoulli Η μεταβολή της επιφάνειας, η οποία είναι διαθέσιμη στη ροή στο διαχύτη και το συλλέκτη προκαλεί μια επιπλέον μεταβολή της πίεσης σύμφωνα με το νόμο του Bernoulli: Δ p bernulli = m& ρ i Aout Ain (A.4) Η κατανομή της ροής σε κάθε τομέα υπολογίζεται με την εφαρμογή μιας επαναληπτικής διαδικασίας αντίστοιχης με αυτήν που χρησιμοποιήθηκε στους καταλυτικούς μετατροπείς από τους Κολτσάκη και Σταματέλλο [9 ]. Για κάθε τομέα εκτιμάται μια αρχική τιμή παροχής μάζας και επιλύεται το σύστημα των εξισώσεων που περιγράφηκε παραπάνω. Με υπολογισμένη την πτώση πίεσης για κάθε κλάδο, εκτιμάται η συνολική πτώση πίεσης της παγίδας και διορθώνεται το αρχικό προφίλ ροής σύμφωνα με τη μέθοδο του «ισοδύναμου υδραυλικού κυκλώματος». Αυτή η μέθοδος δοκιμής και επαλήθευσης συνεχίζεται μέχρι να ταυτιστούν οι τιμές πτώσης πίεσης που υπολογίζονται για κάθε κλάδο. Η διαδικασία περιγράφεται με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στη συνέχεια: Βήμα 1. Αρχικά, επιλέγονται αυθαίρετες τιμές για τις ξεχωριστές παροχές μάζας ώστε να ικανοποιείται το ισοζύγιο μάζας m& = n m& i i= 1. Στην πιο απλή περίπτωση: m& i, έτσι & = m i m& n (A.5) Βήμα. Με δεδομένη την πίεση εξόδου και τις παροχές μάζας, υπολογίζεται η συνολική πτώση πίεσης Δp i για κάθε κλάδο. Δ (A.6) p i = Δpdiffuser, i + Δpexpansion, i + Δpchannel, i + Δpcontraction, i Οι τιμές πτώσεις πίεσης, που αφορούν το κανάλι, παρέχονται από την επίλυση των εξισώσεων του μοντέλου μεμονωμένου καναλιού. Το σύστημα εξισώσεων επιλύεται με τις αντίστοιχες οριακές συνθήκες θερμοκρασίας και παροχής καυσαερίου στην είσοδο για κάθε κλάδο. Κατά συνέπεια υπολογίζονται ξεχωριστές τιμές πτώση πίεσης και αυτές οι τιμές χρησιμοποιούνται για να επαληθευτεί η αρχική εκτίμηση για την κατανομή της ροής. Δ pi όλων των κλάδων είναι Δ που ορίζεται από την Εξ. (A.7), έχει προσδιοριστεί η σωστή Βήμα 3. Αν οι υπολογισμένες τιμές πτώσης πίεσης αριθμητικά ίσες με το ptot κατανομή ροής. Αλλιώς οι παροχές μάζας m& i διορθώνονται σύμφωνα με το βήμα 4. Δp tot = m& m& n i i= 1 Δpi (A.7)

229 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 13 Βήμα 4. Εφαρμόζεται η ακόλουθη διόρθωση για την κατανομή της ροής, η οποία εύκολα αποδεικνύεται ότι ικανοποιεί το ισοζύγιο μάζας: m & i = Δp Δp tot i m& i (A.8) Ο υπολογισμός συνεχίζεται με το βήμα και οι διορθωμένες τιμές χρησιμοποιούνται ως είσοδος. Η επαναληπτική διαδικασία συγκλίνει τάχιστα ( 4 επαναλήψεις), ιδίως όταν χρησιμοποιείται η κατανομή ροής του προηγούμενου χρονικού βήματος ως αρχική εκτίμηση. Όταν ολοκληρωθεί ο αριθμητικός υπολογισμός, έχουν προσδιοριστεί η συνολική πτώση πίεσης Δ και η κατανομή της ροής m&. p tot i 4 Ισοζύγιο ενέργειας Για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του τοιχώματος χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες πηγές θερμότητας, οι οποίες συμπεριλαμβάνονται στο ισοζύγιο ενέργειας: Ενθαλπία αντιδράσεων Συναγωγή θερμότητας λόγω ροής διαμέσου του τοιχώματος Συναγωγή θερμότητας λόγω αξονικής ροής στα κανάλια Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία Αγωγή προς όλες τις κατευθύνσεις Ο συντελεστής s F που χρησιμοποιείται σε εξισώσεις που ακολουθούν, δηλώνει την ειδική επιφάνεια του φίλτρου σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση: A s F = V F trap (A.9) 4.1 Ενθαλπία αντιδράσεων Η έκλυση θερμότητας λόγω των αντιδράσεων, που λαμβάνουν χώρα στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα, μπορεί να εκφραστεί ως: H react = s F w k w w f xrkdx ΔH k (A.3) Για να υπολογιστεί η εξωθερμία, ολοκληρώνεται ο ρυθμός κάθε αντίδρασης στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα και μετά πολλαπλασιάζεται με την αντίστοιχη ενθαλπία. Η συνολική έκλυση θερμότητας ισούται με το άθροισμα της εξωθερμίας όλων των αντιδράσεων. 4. Συναγωγή θερμότητας λόγω ροής διαμέσου του τοιχώματος Ο συντελεστής συναγωγής της ροής διαμέσου του πορώδους στρώματος αιθάλης και του τοιχώματος μπορεί να θεωρηθεί πρακτικά άπειρος. Η μεγάλη ποσότητα θερμότητας, που

230 14 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ μπορεί να ανταλλαχθεί μεταξύ στερεού και αερίου, έχει ως αποτέλεσμα την εξίσωση των θερμοκρασιών τους. Επομένως η θερμότητα λόγω της συναγωγής της ροής διαμέσου του τοιχώματος μπορεί να υπολογιστεί από τη διαφορά θερμοκρασίας καυσαερίου-τοιχώματος καθώς το καυσαέριο εισέρχεται στο τοίχωμα: H wall = w vw sf C p, g 1 ( T T ) ρ (A.31) s 4.3 Συναγωγή θερμότητας λόγω αξονικής ροής στα κανάλια Κατά τη στρωτή αξονική ροή στα κανάλια εισόδου και εξόδου, το καυσαερίου ανταλλάσσει θερμότητα με τα τοιχώματα. Οι συντελεστές συναγωγής υπολογίζονται σύμφωνα με μια σχέση που προτάθηκε από τον Hawthorn [1] (η οποία βασίζεται σε προγενέστερη εργασία των Kays και London [11]), που λαμβάνει υπόψη και την περιοχή ανάπτυξης της ροής, τροποποιώντας για κανάλι τετράγωνης διατομής: Nu D Gz = D.45 (A.3) Gz D z = d Re Pr Στην σπάνια περίπτωση τυρβώδους ροής μέσα στο κανάλι (Re>3), εφαρμόζεται η εξίσωση του Gnieliski: Nu D = 1+ ( f 8)( ReD 1) Pr 1.7( 8) 3 f 1 Pr 1 (A.33) f (.79 ln Re 1.64) = D Τα δεδομένα εισόδου (θερμοκρασία και ταχύτητα καυσαερίου) προέρχονται από τον υπολογισμό του μονού καναλιού που παρουσιάστηκε προηγουμένως. Η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή προσδιορίζεται από την παρακάτω σχέση που περιλαμβάνει τα κανάλια εισόδου και εξόδου: H ( T1 Ts ) + h sf ( T Ts conv = h sf 1 ) (A.34) 4.4 Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία Kατά τη φάση της αναγέννησης, μπορούν να επιτευχθούν υψηλές θερμοκρασίες σε συνδυασμό με σημαντικές αξονικές θερμοκρασιακές κλίσεις. Σε αυτή την περίπτωση η ανταλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία μέσα στο κανάλι μπορεί να είναι σημαντική. Το μοντέλο περιλαμβάνει ένα υπομοντέλο μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία με βάση την παραδοχή ότι τα τοιχώματα του φίλτρου συμπεριφέρονται ως μέλαν σώμα (η συμπεριφορά της αιθάλης προσομοιάζει πάρα πολύ με αυτή του μέλανος σώματος). Η ανταλλαγή ακτινοβολίας υπολογίζεται σε κάθε κανάλι μεταξύ διαφορετικών αξονικών σημείων, με βάση το συντελεστή όψης F [1]:

231 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 15 H rad = s F σ T 4 s 4 Ts channel A F da channel (A.35) Πρέπει να σημειωθεί ότι ο όρος πηγής της ακτινοβολίας περιλαμβάνει την ακτινοβολία μεταξύ των επιφανειών του καναλιού, το βύσμα και το άνοιγμα του καναλιού. Το άνοιγμα θεωρείται ότι έχει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, που σημαίνει ότι για τα κανάλια εισόδου το άνοιγμα έχει τη θερμοκρασία του διαχύτη. Ο υπολογισμός της ακτινοβολίας περιλαμβάνει αμφότερα τα κανάλια εισόδου και εξόδου. 4.5 Αγωγή θερμότητας Η αγωγή θερμότητας υπολογίζεται για όλες τις κατευθύνσεις στις ή 3 διαστάσεις σε όλο το στερεό μέρος του φίλτρου που περιλαμβάνει εκτός από το μονόλιθο, τη μόνωση και το μεταλλικό κέλυφος. Για την αξονική διεύθυνση και την περιοχή του φίλτρου χωρίς βύσματα χρησιμοποιείται η ακόλουθη σχέση: ( ε ) + λsootε soot λashε ash λ + s, z = λwall 1 (A.36) ενώ για την περιοχή του μονόλιθου με βύσματα: λ ( 1 ε ) s, z = λwall + λ plug ε (A.37) Η αγωγιμότητα των βυσμάτων σε αυτή την περίπτωση ισούται είτε με αυτή του τοιχώματος ενώ δεν περιλαμβάνονται οι όροι που αντιστοιχούν στην αιθάλη και την τέφρα. Η παραπάνω σχέση χρησιμοποιείται επίσης στην περίπτωση που υπάρχει τέφρα υπό μορφή βύσματος, θέτοντας λ = λ. Το κλάσμα κενού ε ορίζεται ως: plug ash ε = d ( d + ) w w (A.38) Και τα κλάσματα των επιφανειών αιθάλης και τέφρας ως: ( d w w) cpsm ε = w (A.39) soot a ( d w ) cpsm ε = w (A.4) ash a a Για τον υπολογισμό της ισοδύναμης ακτινικής αγωγιμότητας χρησιμοποιούνται συντελεστές μορφής. Οι συντελεστές μορφής προσδιορίστηκαν με εμπορικό λογισμικό που αξιοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, για την κυλινδρική γεωμετρία του φίλτρου με και χωρίς τα βύσματα. Η Εικ. A.7 παρουσιάζει τις τιμές του συντελεστή μορφής που προσδιορίστηκαν για την περιοχή του φίλτρου χωρίς βύσματα. Με βάση τις τιμές αυτές έχει εξαχθεί μια πολυωνυμική συνάρτηση που χρησιμοποιείται στο μαθηματικό μοντέλο του φίλτρου.

232 16 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Αντίστοιχα η Εικ. A.8 περιλαμβάνει τα αποτελέσματα για την περιοχή του φίλτρου με βύσματα. Συντελεστής μορφής [-] y =.465x x x x + 1 R = 1 T T Κλάσμα κενού [-] Εικ. A.7: Συντελεστής μορφής συναρτήσει του ποσοστού κενού για την περιοχή του φίλτρου χωρίς βύσματα. 1 T Συντελεστής μορφής [-] y = x x x x + 1 R = Κλάσμα κενού [-] T1 Εικ. A.8: Συντελεστής μορφής συναρτήσει του ποσοστού κενού για την περιοχή του φίλτρου με βύσματα.

233 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 17 Η ακτινική αγωγιμότητα για την περιοχή με βύσματα προσδιορίζεται με βάση την αγωγιμότητα του τοιχώματος και το αντίστοιχο συντελεστή μορφής. Το κλάσμα κενού είναι το μισό απ ότι στην περιοχή χωρίς βύσματα. λ = ε rad S p λwall (A.41) Για την περιοχή χωρίς βύσματα, η σωματιδιακή στρώση μπορεί συμβάλει επιπλέον στην αγωγή θερμότητας. Η επιπρόσθετη αγωγιμότητα λαμβάνεται υπόψη, ενσωματώνοντας την αγωγιμότητα της αιθάλης και της τέφρας στο τοίχωμα: λ rad = S c ( ε ) λ wall w + λsootw w s + λ ash w a (A.4) Το σφάλμα λόγω αυτής της απλοποίησης έχει ελεγχθεί λαμβάνοντας υπόψη και τη σωματιδιακή στρώση στους υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων και έχει βρεθεί πολύ μικρό για εφαρμογές σε πραγματικές συνθήκες. 4.6 Ισοζύγιο ενέργειας στερεάς φάσης Ο όγκος ελέγχου του ισοζυγίου ενέργειας στερεάς φάσης περιλαμβάνει το μονόλιθο, τη μόνωση και το μεταλλικό κέλυφος. Το θερμοκρασιακό πεδίο περιγράφεται από την εξίσωση μεταβατικής αγωγής θερμότητας με όρους πηγής σε δισδιάστατες κυλινδρικές συντεταγμένες: Ts Ts 1 Ts ρ s C p, s = λs, z + λs r r + S, t z r r r (A.43) ενώ σε τρισδιάστατες καρτεσιανές συντεταγμένες: Ts Ts Ts Ts ρ C p, s = λs, z + λs, r + λ s, r t x y z s + S (A.44) Εκτός από την αγωγή θερμότητας, λαμβάνονται υπόψη οι παρακάτω όροι μετάδοσης και έκλυσης θερμότητας, οι οποίοι περιλαμβάνονται στον όρο πηγής : S Συναγωγή θερμότητας λόγω ροής στο κανάλι Συναγωγή θερμότητας λόγω ροής διαμέσου του τοιχώματος Ενθαλπία αντιδράσεων Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία S = H + H + H + H (A.45) conv wall react rad Καθώς ο όγκος ελέγχου περιλαμβάνει περισσότερα από ένα υλικά, οι ιδιότητες του στερεού ρ s, C p, s, λ s, z, λ s, r εξαρτώνται από το υλικό της περιοχής, όπως επίσης και από την τοπική θερμοκρασία (στο τελευταίο εξαιρείται η πυκνότητα). Ιδιαίτερα για την κυψελωτή περιοχή λαμβάνεται υπόψη το κλάσμα κενού και η ενδεχόμενη ύπαρξη αιθάλης

234 18 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ και τέφρας. Η ισοδύναμη πυκνότητα της κυψελωτής δομής στην περιοχή χωρίς βύσματα μπορεί να εκφραστεί όπως παρακάτω: s wall ( 1 ) + mˆ p + mˆ a ρ = ρ ε (A.46) Όπου τα mˆ και mˆ δηλώνουν τις τοπικές συγκεντρώσεις αιθάλης και τέφρας ανά μονάδα p a όγκου. Στην είσοδο και την έξοδο του φίλτρου λαμβάνεται υπόψη η επιπρόσθετη μάζα των βυσμάτων σύμφωνα με τη σχέση: ρ = 1 ε s ρ wall (A.47) Στην περίπτωση που υπάρχει τέφρα υπό μορφή βύσματος η τοπική συγκέντρωση τέφρας δίνεται από την παρακάτω σχέση: m ˆ a ε = ρ a (A.48) Με δεδομένες τις ειδικές θερμοχωρητικότητες για τα επιμέρους υλικά και την τοπική συγκέντρωση του καθενός, η θερμοχωρητικότητα μπορεί εκφραστεί ως εξής: s ( 1 ε ) C p, wall + mˆ p C p, soot + ma C p ash ρ (A.49) C p, s = ρ wall ˆ, 4.7 Οριακές συνθήκες Σε όλες τις εξωτερικές επιφάνειες του όγκου ελέγχου της παγίδας ορίζονται οριακές συνθήκες για την εξίσωση αγωγής θερμότητας. Στην επιφάνεια του μεταλλικού κελύφους θεωρούνται απώλειες λόγω συναγωγής και ακτινοβολίας προς το περιβάλλον: T λ 4 4 ( T T ) s s, r = hamb( Ts Tamb ) + ε σ s amb r r= R (A.5) Ο άξονας συμμετρίας (στην περίπτωση δισδιάστατης προσομοίωσης) και τα πιθανά επίπεδα συμμετρίας (στην περίπτωση της τρισδιάστατης προσομοίωσης) θεωρούνται αδιαβατικά, γεγονός που στην πρώτη περίπτωση μπορεί να εκφραστεί ως: Ts r r= = (A.51) Η μπροστινή και πίσω όψη του φίλτρου θεωρούνται επίσης αδιαβατικές. Ο συντελεστής συναγωγής θερμότητας προς το περιβάλλον υπολογίζεται με βάση τις ευρέως γνωστές σχέσεις για ελεύθερη και εξαναγκασμένη συναγωγή. Η ελεύθερη συναγωγή υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση των Churchill και Chu [ 13] για οριζόντιο κύλινδρο μεγάλου μήκους: h amb

235 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Pr = = Air D Air f Free D Ra k D h Nu (A.5) ( ) air Air f amb s D D D T T T g Ra ν = 3 Η εξαναγκασμένη συναγωγή υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση του Zhukauskas [13] για κύλινδρο σε κάθετη ροή: 4 1 Pr Pr Pr Re = = s n m D Air f Forced D C k D h Nu (A.53) 4.8 Ισοζύγιο ενέργειας καυσαερίου Όπως προαναφέρθηκε το μοντέλο λαμβάνει υπόψη στο ισοζύγιο ενέργειας του καυσαερίου τη συναγωγή θερμότητας λόγω της στρωτής ροής μέσα στο κανάλι και τη συναγωγή θερμότητας κατά τη ροή του καυσαερίου διαμέσου του τοιχώματος. Στο κανάλι εισόδου το αέριο εισέρχεται στη σωματιδιακή στρώση ή το τοίχωμα με θερμοκρασία : T 1 ( ) , 4 ] 4 [ T T z d h T v z d T v d T v d C s z w w z z z g p Δ = Δ + +Δ ρ ρ ρ (A.54) Συνδυάζοντας τις Εξ. (A.54) και (A.7), προκύπτει: ( ) , 4 T T d h z T v C s z g p = ρ (A.55) Από την άλλη μεριά, στο κανάλι εξόδου, το καυσαέριο εξέρχεται του τοιχώματος με τη θερμοκρασία του τοιχώματος : T s ) ( 4 ] 4 [, T T z d h T v z d T v d T v d C s z s w w z z z g p Δ = Δ +Δ ρ ρ ρ (A.56) Συνδυάζοντας τις Εξ. (A.56) και (A.7) όπως προηγουμένως: ( ),, 4 ) ( T T d v C h z T v C s w w g p z g p + = ρ ρ (A.57) Το θερμοκρασιακό πεδίο του αερίου επιλύεται τελικά με βάση τις σχέσεις (A.55) και (A.57) και την οριακή συνθήκη στην είσοδο του καναλιού εισαγωγής: ( ) inlet T z T = = 1 (A.58)

236 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 5 Σχήμα αντιδράσεων Στο μοντέλο έχουν ενσωματωθεί δύο μηχανισμοί αναγέννησης και ένας μηχανισμός φαινόμενων προσρόφησης εκρόφησης: Θερμική αναγέννηση Αναγέννηση σε καταλυτικά επικαλυμμένο φίλτρο Φαινόμενα προσρόφησης εκρόφησης 5.1 Θερμική αναγέννηση Στην περίπτωση μη καταλυτικού φίλτρου λαμβάνονται υπόψη οι αντιδράσεις της οξείδωσης αιθάλης με οξυγόνο και NO. Η τελευταία είναι βασική για τα συστήματα με φίλτρα συνεχούς αναγέννησης (CRT) σε χαμηλές θερμοκρασίες. Για να προσεγγιστεί η χημεία των αντιδράσεων χρησιμοποιούνται συνολικές αντιδράσεις, λαμβάνοντας υπόψη και τη μερική οξείδωση. Οι εκφράσεις των ρυθμών αντίδρασης παρουσιάζονται στον Πιν. A. [14, 15]: Πιν. A.: Χημικές αντιδράσεις αιθάλης και ρυθμοί αυτών που λαμβάνονται υπόψη στο μαθηματικό μοντέλο του μη καταλυτικού DPF, εκφρασμένες σε mole. molec s 1. C + α O (. 5 α 1) 1 α CO + ( 1 )CO α n PO R = s k P (A.59). ( 1 ) ( α ) CO + ( 1) CO C + α NO α NO + α PNO R = s k (A.6) α P 1 ξ γ 3. C + O + ( NO ) CO + ( NO ) k P [ O ] + c [ H O] θ ( ) R NO 1 = (A.61) Όπου το k είναι ο όρος Arrhenius: k = A e E RT (A.6) Η επιλεκτικότητα (selectivity) της αντίδρασης α και οι σταθερές χημικής κινητικής A και E για κάθε αντίδραση προσδιορίζονται με βάση πειραματικά δεδομένα, όπως περιγράφεται στο [ 5]. 7 1 Η ειδική επιφάνεια s της σωματιδιακής στρώσης θεωρείται σταθερή ( s = m ). Ως πίεση αναφοράς χρησιμοποιείται η κανονική πίεση ( P = Pa ). Η τάξη της αντίδρασης n μπορεί επίσης να προσδιοριστεί για θερμική οξείδωση της αιθάλης. Οι τάξεις της αντίδρασης (A.61), ξ, γ, θ, καθώς και η σταθερά c, έχουν τιμές 1,.9,.9 και 7.5 αντίστοιχα, όπως παρουσιάζεται στην εργασία των Jacquot et al.[ 16].

237 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 1 5. Αναγέννηση σε καταλυτικό φίλτρο Τα παραπάνω σχήματα αντιδράσεων περιλαμβάνουν αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μόνο μέσα στη σωματιδιακή στρώση ή στην αιθάλη που έχει συσσωρευτεί μέσα στο τοίχωμα. Σε ένα καταλυτικά επικαλυμμένο φίλτρο, λαμβάνουν χώρα επιπρόσθετες αντιδράσεις στην ενεργή καταλυτική επιφάνεια μέσα στο τοίχωμα, οι οποίες παρουσιάζονται στον Πιν. A.3: Η αντίδραση οξείδωσης του NO προς NO και η αντιστροφή της εξαρτώνται από τη K p T : σταθερά χημική ισορροπίας της αντίδρασης ( ) K P = e ΔG RT (A.63) 1 Δ G( T ) = G ( T ) G ( T ) G ( T ) (A.64) NO NO O Για την ενέργεια Gibbs χρησιμοποιούνται οι πίνακες των Barin και Knacke [17]. Οι ρυθμοί αντίδρασης τροποποιούνται έτσι ώστε να ληφθεί υπόψη ο περιορισμός της χημικής ισορροπίας όπως φαίνεται στην Εξ. (A.66), χρησιμοποιώντας την παράμετρο K : K = [ NO] 1 [ NO] [ O ] (A.65) Πιν. A.3: Χημικές αντιδράσεις τοιχώματος και ρυθμοί αυτών που λαμβάνονται mole υπόψη στο μαθηματικό μοντέλο του CDPF, εκφρασμένες σε m s NO + 1 O NO 1 NO NO + O (παλιό μοντέλο) [ O ][ NO] k G R = k G 5 [ NO ] 5 K 1, K < K K p K p 1, K K > K p p (A.66). NO + 1 O (νέο μοντέλο) NO 1 3. CO + O CO 1 4. H + O H O [ ][ ] 1 1 NO O [ NO ] K P R = k (A.67) G k [ CO][ O ] R = (A.68) k G [ H ][ O ] R = (A.69) G

238 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ α β + γ 5. CxH y ( fast) + O CO H O 6. CxH y ( slow) + α O β CO + γ H O 7. C + 4 O 3 CO + 4 H O 3 H C3 H 6 + O 3 CO + 3 H O 9. C + 9 O 7 CO + 4 H O 7 H C1 H + O 1 CO + 11 H O 11. H + 18 NO 7 CO + 4 H O 18 NO C H + 31 NO 1 CO + 11H O 31NO C H + 9NO 3 CO + 3 H O 9 NO C [ HC ][ O ] k fast R = (A.7) G R k 1 [ HC ][ O ] slow = (A.71) k G 1 G 3 [ C H ][ O ] 3 8 R = (A.7) k G 1 G 3 [ C H ][ O ] 3 6 R = (A.73) k G 1 [ C H ][ O ] 7 8 R = (A.74) k G 1 [ C H ][ O ] 1 R = (A.75) k G 1 [ C H ][ NO ] 7 8 R = (A.76) k G 11 [ C H ][ NO ] 1 R = (A.77) k G 11 [ C H ][ NO ] 3 6 R = (A.78) G 11 Σύμφωνα με τις υποθέσεις των Langmuir και Hinshelwood, ο ετερογενής ρυθμός αντίδρασης εκφράζεται με ένα όρο παρεμπόδισης G στον παρονομαστή. Με βάση την πρωτοπόρα εργασία των Voltz et al. [18] στους καταλύτες πλατίνας, οι όροι παρεμπόδισης δίνονται από τις σχέσεις του Πιν. A.4: Πιν. A.4: Όροι παρεμπόδισης για τις καταλυτικές αντιδράσεις του CDPF. 7 ( ) ( [ ] ). k NO 1. T ( 1+ k [ CO] + k [ HC ]) 1+ k [ CO] [ HC ] G = + (A.79) ( ) ( [ ] ). k NO. T ( 1+ k [ CO] + k [ HC ]) 1+ k [ CO] [ HC ] G = + (A.8) G ( 1+ k [ O ) 1. 5 = (A.81) 3 6 ] 7 ( ) ( [ ] ). k NO 4. T ( 1+ k [ CO] + k [ HC ]) 1+ k [ CO] [ HC ] G = + (A.8) ( ) ( [ ] ). k NO 5. T ( 1+ k [ CO] + k [ HC ]) 1+ k [ CO] [ HC ] G = + (A.83)

239 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 3 [ ] + [ C H ( fast) ] + [ C H ] + [ C H ] [ HC ] = C H ( slow) x [ C H ] + [ C H ] + [ CH ] 3 y 8 [ HC] = CxH y ( slow) + CxH y fast + [ C H ] + [ C H ] + [ CH ] 3 6 x y [ ] [ ( )] + [ C H ] + [ C H ] (A.84) (A.85) mole Τελικά οι αντιδράσεις της αιθάλης μπορούν επίσης να εκφραστούν σε m s. Η 3 μετατροπή αυτή μπορεί να γίνει με την ακόλουθη εξίσωση για τη σωματιδιακή στρώση και για την αιθάλη στο τοίχωμα: R = ρ P R M g (A.86) Για την περίπτωση του τοιχώματος, ο όρος ρ P αναφέρεται στη συγκέντρωση της αιθάλης στο τοίχωμα και όχι στην πυκνότητα της αιθάλης. 5.3 Φαινόμενα προσρόφησης εκρόφησης Πιν. A.5: Χημικές αντιδράσεις προσρόφησης εκρόφησης και ρυθμοί αυτών που λαμβάνονται υπόψη στο μαθηματικό μοντέλο του CDPF, εκφρασμένες σε mole m s O H O () l H R f = kw φ eq, H O φ free ( ) Rb = k WφH O 1 φ eq, H O (A.87). H C H ( l) C R R f b = kw = kw φ φeq, C7H8 φ free ( φ ) C7 H 1 8 eq, C7H8 (A.88) 3. H C H () l C1 1 R R b f = kw = kw φ φeq, C1H φ free ( φ ) C1 H 1 eq, C1H (A.89) Όπου το φ j είναι το κλάσμα όγκου των μικροπόρων του ζεόλιθου που καταλαμβάνεται από κάθε χημική ένωση j και το φ eq είναι το κλάσμα όγκου ισορροπίας μίας χημικής ένωσης που καθορίζεται από το μοντέλο των Dubinin-Radushkevich ως: φ eq, j = e 1 P D j ln Pj sat, j (A.9)

240 4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ D j = A Ze RT β j (A.91) Οι ρυθμοί προσρόφησης εξαρτώνται από το κλάσμα όγκου φ j της σχετικής χημικής ένωσης j, ενώ η εκρόφηση εξαρτάται από το κλάσμα όγκου των ελεύθερων πόρων του ζεόλιθου. Για να συμφωνεί με την ισόθερμη των Dubinin-Radushkevich, ο όρος Arrhenius k κάθε χημικής ένωσης θεωρείται ίσος στις αντιδράσεις προσρόφησης και εκρόφησής της. 5.4 Σύζευξη αντιδράσεων μεταφοράς μάζας Στις καταλυτικές παγίδες, το ΝΟ καταναλώνεται στη σωματιδιακή στρώση και παράγεται στο καταλυτικά επικαλυμμένο τοίχωμα. Αντιστρόφως το ΝΟ παράγεται στη σωματιδιακή στρώση και καταναλώνεται στο τοίχωμα. Ταυτόχρονα, το Ο αντιδρά στη σωματιδιακή στρώση λόγω της θερμικής οξείδωσης και στο τοίχωμα, λόγω της οξείδωσης του ΝΟ. Στη διάρκεια όλων αυτών των αντιδράσεων εμφανίζονται κλίσεις συγκεντρώσεων των ΝΟ, ΝΟ και Ο μεταξύ της ροής στα κανάλια, της σωματιδιακής στρώσης και του τοιχώματος. Οι κλίσεις αυτές είναι η κινητήρια δύναμη για τη διαστρωματική (intra-layer) μοριακή διάχυση. Το μοριακό ισοζύγιο των διαφόρων χημικών ουσιών μέσα στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα, περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση [19]: y j y j f x v w D j f x = c j, k R x x x cm k k φ free (A.9) Ο πρώτος όρος στο αριστερό μέλος της Εξ. (A.9) εκφράζει τη μοριακή μεταφορά λόγω της ροής, η οποία εξαρτάται γραμμικά από την ταχύτητα της ροής και την τοπική συγκέντρωση. Ο δεύτερος όρος εκφράζει τη μοριακή διάχυση και εξαρτάται από την κλίση της συγκέντρωσης. Έχει αρνητικό πρόσημο γιατί μεταφέρει μόρια από την περιοχή υψηλής στην περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης. Τέλος ο όρος στο δεξί μέλος της εξίσωσης εκφράζει τον τοπικό ρυθμό παραγωγής ή κατανάλωσης μιας χημικής ουσίας σύμφωνα με το άθροισμα των ρυθμών αντίδρασης. Αμελώντας το δεύτερο όρο και θεωρώντας μόνο την αντίδραση οξείδωσης αιθάλης με οξυγόνο προκύπτει το κλασσικό μοντέλο Bissett. Η γεωμετρική παράμετρος b( x) f x = d ( ) f x ορίζεται ως: (A.93) Το πλάτος b x, που είναι διαθέσιμο στη ροή, είναι μεταβλητό κατά μήκος της σωματιδιακής στρώσης και παραμένει σταθερό στο τοίχωμα: b ( x) d + x, x < = d, x (A.94)

241 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 5 Η ισοδύναμη διαχυτότητα υπολογίζεται με βάση το μοντέλο μεικτής διάχυσης (mixed diffusion model) [ ] που συνδυάζει τη συμβατική μοριακή διάχυση και τη διάχυση Knudsen που εμφανίζεται στα πορώδη υλικά: 1 = τ ε 1 D + D j p mol, j Dknud, j 1 (A.95) Η διαχυτότητα Knudsen δίνεται από τη σχέση: D knud, j d p = 3 8RT πm j (A.96) Οι τιμές του πορώδους ε p, της συστροφής (tortuosity) τ και του μέσου μεγέθους πόρων βασίζονται στις μικροδομικές (micro-structural) ιδιότητες της σωματιδιακής στρώσης d p και του τοιχώματος. Οι ρυθμοί αντίδρασης στην Εξ. (A.9) εκφράζονται ανά μονάδα όγκου. Στην περίπτωση των αντιδράσεων της αιθάλης, είναι απαραίτητη η μετατροπή των ρυθμών αντίδρασης στις παραπάνω μονάδες. Αυτό γίνεται τόσο για τη σωματιδιακή στρώση όσο και για την αιθάλη που βρίσκεται μέσα στο τοίχωμα με την ακόλουθη σχέση: R = ρ P R M g (A.97) Για την περίπτωση του τοιχώματος, ο όρος όγκου τοιχώματος. ρ P εκφράζει τη μάζα της αιθάλης ανά μονάδα Οι οριακές συνθήκες πρέπει να συνδέουν τα φαινόμενα μέσα στο τοίχωμα με τις συνθήκες που επικρατούν στα κανάλια εισόδου και εξόδου. Στα όρια λαμβάνεται υπόψη και η μεταφορά μάζας με συναγωγή από τη ροή παράλληλα στο κανάλι (διεύθυνση z), προς την επιφάνεια του τοιχώματος. Έτσι το μοριακό ισοζύγιο στα κανάλια εισόδου και εξόδου εκφράζεται ως: z 1 1 ( v y ) = v y + k ( y y ) 1 1, j df w w 1, j df w 1, j 1s, j 1, j (A.98) z 1 1 ( v y ) = v y + k ( y y ), j df w s w s, j df w s, j s, j, j (A.99) Ο πρώτος όρος στο δεξί μέλος της Εξ. (A.98) αντιπροσωπεύει την απώλεια μορίων στο κανάλι εισόδου, λόγω της κάθετης ροής στο τοίχωμα. Εξαρτάται από τη συγκέντρωση του καυσαερίου στο κανάλι και την ταχύτητα τοιχώματος. Ο αντίστοιχος όρος για το κανάλι εξόδου (Εξ. (A.99)) είναι θετικός και εξαρτάται από τη συγκέντρωση στη διεπιφάνεια τοιχώματος-καναλιού εξόδου. Ο δεύτερος όρος στο δεξί μέλος εκφράζει τη μεταφορά μάζας με συναγωγή και εξαρτάται από τη διαφορά συγκέντρωσης στο κανάλι και την αντίστοιχη διεπιφάνεια.

242 6 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Ο όρος συναγωγής υπολογίζεται χρησιμοποιώντας συντελεστές μεταφοράς μάζας αντιστοιχούν σε στρωτή ροή για αμφότερα τα κανάλια εισόδου και εξόδου: k i, j Sh D = d i j k i, j που (A.1) Εξισώνοντας τη μοριακή ροή στη διεπιφάνεια της σωματιδιακή στρώσης με τη μεταβολή της μοριακής ροής στο κανάλι εισόδου, προκύπτει η σχέση: y ( v y ) j v w y1s, j D j f w = df w 1 1, j x 1s z (A.11) Ομοίως εξισώνοντας τη μοριακή ροή στη διεπιφάνεια του τοιχώματος με τη μεταβολή της μοριακής ροής στο κανάλι εξόδου, προκύπτει η σχέση: v w y s, j D j f y ( v y ) j w = df s w s, j x z s (A.1) Συνδυάζοντας τις Εξ. (A.98) και (A.11) προκύπτει η οριακή συνθήκη για το κανάλι εισόδου: y ( y y ) j v w y1s, j D j f w = vw y1, j k1, j f w 1s, j 1, j x 1s (A.13) Παρομοίως οι Εξ. (A.1) και (A.99) αποφέρουν την οριακή συνθήκη για το κανάλι εξόδου: y ( y y ) j D j f w s = k, j s, j, j x s (A.14) Οι Εξ. (A.13) και (A.14) είναι ισοδύναμες με τις οριακές συνθήκες του Danckwerts [19] συμπληρωμένες με έναν πρόσθετο όρο για τη μεταφορά μάζας λόγω διάχυσης με το κυρίως καυσαέριο που ρέει παράλληλα στο τοίχωμα. Πρέπει να αναφερθεί ότι στην περίπτωση αντίστροφης ροής στο τοίχωμα ( ( v W < ) ), οι οριακές συνθήκες αντιστρέφονται. Κατά τη ροή διαμέσου της σωματιδιακής στρώσης και του τοιχώματος παρουσιάζονται ισχυροί ρυθμοί μεταφοράς μάζας με συναγωγή. Η αντίσταση μεταφοράς μάζας είναι πρακτικά μηδέν και οι συγκεντρώσεις στην αέρια φάση και τη διεπιφάνεια αερίου-στερεού μπορούν να θεωρηθούν ίσες. Αυτό δικαιολογεί τη χρήση των ίδιων τιμών συγκέντρωσης για τους ρυθμούς αντίδρασης και για το ισοζύγιο μάζας. 5.5 Αριθμητική επίλυση Οι διαστρωματικές συγκεντρώσεις προκύπτουν από την επίλυση της Εξ. (A.9). Για να λυθεί αυτή η τελευταία, εφαρμόζονται οι οριακές συνθήκες των Εξ. (A.13) και (A.14).

243 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 7 Απαραίτητα δεδομένα είναι η ταχύτητα τοιχώματος και οι συγκεντρώσεις στα κανάλια εισόδου και εξόδου. Στην Εικ. A.9 παρουσιάζεται ο όγκος ελέγχου του προβλήματος, που περιλαμβάνει τη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα. Μόνο ένα τεταρτημόριο λαμβάνεται υπόψη λόγω συμμετρίας, οπότε η σωματιδιακή στρώση έχει τραπεζοειδές σχήμα. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται η διακριτοποίηση του τοιχώματος και της αιθάλης σε υπολογιστικούς κόμβους. Σημειώνεται ότι λόγω της κατανάλωσης αιθάλης, η σωματιδιακή στρώση διακριτοποιείται σε κάθε χρονικό βήμα χωριζόμενη σε στοιχεία ίσης μάζας. Η διακριτοποίηση του τοιχώματος δε μεταβάλλεται. Η αριθμητική επίλυση είναι απαραίτητη λόγω της μη γραμμικότητας που επιβάλουν: το τραπεζοειδές σχήμα (δηλώνεται με τον όρο f x ), η διαφοροποίηση της πίεσης στη σωματιδιακή στρώση και το τοίχωμα, η οποία επηρεάζει τους ρυθμούς αντίδρασης, οι όροι παρεμπόδισης, η χημική ισορροπία και Ξεκινώντας από μια αρχική εκτίμηση για τις διαστρωματικές συγκεντρώσεις, υπολογίζονται οι ρυθμοί αντίδρασης σε κάθε στοιχείο. Κατόπιν επιλύεται η Εξ. (A.9) με μια άρρητη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών που καταλήγει σε ένα τριδιαγώνιο γραμμικό σύστημα για κάθε χημική ουσία. Η επίλυση του τριδιαγώνιου συστήματος αποφέρει τις καινούργιες διαστρωματικές συγκεντρώσεις που χρησιμοποιούνται για τον επαναπροσδιορισμό των ρυθμών αντίδρασης. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι οι συγκεντρώσεις να συγκλίνουν σε σταθερές τιμές. Οι συγκεντρώσεις του πρώτου και του τελευταίου στοιχείου χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των μοριακών ροών λόγω διάχυσης από τα κανάλια εισόδου και εξόδου. Αυτές οι μοριακές ροές χρησιμοποιούνται κατόπιν για να υπολογιστούν οι κατάντη συγκεντρώσεις στα κανάλια, οι οποίες με τη σειρά τους χρησιμοποιούνται ως είσοδος για το διαστρωματικό υπολογισμό του επόμενου αξονικού κόμβου. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι το τέλος του καναλιού εξόδου. Εικ. A.9: Διαστρωματική διακριτοποίηση.

244 8 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 6 Ισοζύγιο μάζας και ιδιότητες της αιθάλης 6.1 Εισαγωγή Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς της αιθάλης, απαιτείται η εισαγωγή κάποιων ιδιοτήτων της, οι οποίες είναι οι εξής: Η πυκνότητα Η διαπερατότητα και η εξάρτησή της από τη θερμοκρασία και την πίεση Η ειδική επιφάνεια Η αγωγιμότητα Το πορώδες Το μέσο μέγεθος πόρων Η συστροφή (tortuosity) Εξαιτίας φαινομένων όπως: Μεταβλητές ιδιότητες αιθάλης στην είσοδο του φίλτρου Διήθηση της αιθάλης στο τοίχωμα και στη σωματιδιακή φόρτιση οι ιδιότητες αυτές ποικίλουν χρονικά και χωρικά, ιδιαίτερα στο τρισδιάστατο μοντέλο που περιλαμβάνει την επιπλέον διαστρωματική διάσταση. Η έλλειψη αναλυτικών πειραματικών δεδομένων και λόγοι απλότητας έχουν επιβάλει τη χρήση σταθερών τιμών στο μοντέλο για τα μεγέθη αυτά. Παρόλα αυτά, το φαινόμενο της διήθησης έχει ενσωματωθεί στο μοντέλο. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μία προσπάθεια επαλήθευσης του μοντέλου διήθησης, με πειραματικά δεδομένα που λήφθηκαν από αντίστοιχα σχεδιασμένα πειράματα. 6. Διήθηση της αιθάλη Κατά την αρχική φάση της φόρτισης του εντελώς καθαρού φίλτρου, σωματίδια αιθάλης εισέρχονται στο τοίχωμα και φράζουν μερικώς του πόρους του. Στο διαστρωματικό μοντέλο είναι σημαντικό να οριστεί η ποσότητα της αιθάλης που εισέρχεται στο τοίχωμα ξεχωριστά από τη σωματιδιακή στρώση. Η μάζα της αιθάλης στο τοίχωμα επηρεάζει σημαντικά τα φαινόμενα αντίδρασης διάχυσης. Παρόλο που είναι δύσκολο να μετρηθεί η ακριβής κατανομή της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα, είναι δυνατή η εκτίμηση της μάζας αυτής έμμεσα, εξετάζοντας τη συμπεριφορά της πτώσης πίεσης κατά τη διάρκεια της φόρτισης.

245 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Κατακράτηση στο τοίχωμα Κατακράτηση στη σωματιδιακή στρώση Πτώση πίεσης [mbar] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικ. A.1: Αντίθλιψη παγίδας αιθάλης συναρτήσει της φόρτισης. Η επίπτωση της παγιδευμένης αιθάλης στο τοίχωμα παρουσιάζεται στην Εικ. A.1. Στα πρώτα στάδια της φόρτισης παρατηρείται μια απότομη εκθετική αύξηση της πτώσης πίεσης, η οποία εξελίσσεται σταδιακά σε γραμμική. Η πρώτη φάση συσχετίζεται με την κατακράτηση σωματιδίων εντός του τοιχώματος (deep filtration). Καθώς μπλοκάρουν οι πόροι του τοιχώματος, μειώνεται η διαπερατότητά του [1 ], γεγονός που εξηγεί την απότομη μεταβολή της αντίθλιψης. Από τη στιγμή που θα γεμίσουν όλοι οι προσβάσιμοι πόροι, η αιθάλη εναποτίθεται στην επιφάνεια του τοιχώματος δημιουργώντας τη σωματιδιακή στρώση. Η σωματιδιακή στρώση δρα η ίδια ως φίλτρο για τα καινούργια σωματίδια, ανακόπτοντάς την πορεία τους στην επιφάνειά της (cake deposition). Έτσι στη δεύτερη φάση παρατηρείται γραμμική αύξηση του πάχους της σωματιδιακής στρώσης και ευθέως ανάλογη αύξηση της πτώσης πίεσης. To σημείο μετάβασης μεταξύ των δύο φάσεων είναι ενδεικτικό της ποσότητας αιθάλης που αποθηκεύεται στο τοίχωμα και της αντίστοιχης μείωσης της διαπερατότητάς του. Η ποιοτική και ποσοτική κατανομή της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα είναι πολύ σημαντική για τις καταλυτικές παγίδες. Το μέρος της συσσωρευμένης αιθάλης που είναι κοντά ή ακόμα και κατάντη των ενεργών καταλυτικών θέσεων στο τοίχωμα, έχει πιο εύκολη πρόσβαση στο παραγόμενο NO σε σχέση με τη σωματιδιακή στρώση. Για τον υπολογισμό της εναπόθεσης της αιθάλης στο τοίχωμα υπάρχουν δύο διαθέσιμες μέθοδοι στο μοντέλο. Η πρώτη χρησιμοποιεί μία απλοποιημένη προσέγγιση για το στρώμα αιθάλης και για το μοντέλο διήθησης κόκκου του τοιχώματος, ενώ η δεύτερη είναι ένα φαινομενολογικό μοντέλο στο οποίο ο χρήστης πρέπει να ορίσει αυθαίρετα τη χωρητικότητα της αιθάλης και την κατανομή της στο τοίχωμα Διήθηση σωματιδιακής στρώσης Για τη διήθηση της σωματιδιακής στρώσης χρησιμοποιείται μία απλοποιημένη προσέγγιση. Η βασική της υπόθεση είναι ότι πέρα από ένα δεδομένο πάχος στρώματος, το οποίο ορίζεται ως βάθος διείσδυσης, όλη η εισερχόμενη αιθάλη εναποτίθεται στην w p επιφάνεια της σωματιδιακής στρώσης. Κάτω από αυτό το πάχος στρώματος υποτίθεται μία γραμμική συσχέτιση μεταξύ της αρχικής απόδοσης διήθησης της σωματιδιακής στρώσης

246 3 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ E cake και του πάχους της αιθάλης, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. A.11. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, υποτίθεται μία αρχική απόδοση διήθησης της σωματιδιακής στρώσης E cake, μεγαλύτερη του μηδενός. Μία παρόμοια συσχέτιση χρησιμοποιείται επίσης για την πυκνότητα της εναποτεθειμένης αιθάλης, όπως παρουσιάζεται στην Εικ. A.1. Απόδοση φιλτραρίσματος σωματιδιακής στρώσης [%] E 1% 8% 6% 4% % cake % w p Πάχος σωματιδιακής στρώσης [m] Εικ. A.11: Απόδοση διήθησης της σωματιδιακής στρώσης συναρτήσει του πάχους της σωματιδιακής στρώσης. Πυκνότητα αιθάλης [kg/m 3 ] ρ pack ρ pack w p Πάχος σωματιδιακής στρώσης [m] Εικ. A.1: Πυκνότητα της αιθάλης συναρτήσει του πάχους της σωματιδιακής στρώσης. 6.. Διήθηση τοιχώματος Για τον υπολογισμό της διήθησης των σωματιδίων στο τοίχωμα χρησιμοποιείται Το μοντέλο διήθησης κόκκου [, 3].

247 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 31 Η απόδοση διήθησης κόκκου εξαιτίας της διάχυσης και της αναχαίτισης δίνονται από τις ακόλουθες εμπειρικές εκφράσεις: η =.45 Pe D η clean 3 (A.15) η R = η clean 13.5 R η = η + η g, D R (A.16) (A.17) Ο αριθμός Peclet ορίζεται βασιζόμενος στην επιφανειακή ή αδιατάραχτη ταχύτητα: u Pe = w d D grain, part (A.18) R = D d part grain, (A.19) Η καθαρή διάμετρος του κόκκου εκτιμάται βασιζόμενη στο μέγεθος του πόρου πορώδες του καθαρού φίλτρου ε []: 3 1 ε p, d grain, = d ε p, p d p και στο (A.11) Η επίδραση της φόρτισης της αιθάλης στην απόδοση διήθησης λαμβάνεται υπόψη με την ακόλουθη έκφραση: 3η load ( η ) erf W η g = η g, + 1 g, cap (A.111) W cap ε p, ε p = ε p, Τελικά, η απόδοση της διήθησης κλίνης υπολογίζεται από την ακόλουθη έκφραση: E wall = 1 e ( ε ) 3 1 p, Δx η g ε p. d grain, (A.11) Το μοντέλο που περιγράφηκε παραπάνω προβλέπει μία εκθετική κατανομή της αιθάλης μέσα στο τοίχωμα. Επιπλέον λαμβάνει υπόψη του τις επιδράσεις των συνθηκών λειτουργίας και της κατάστασης του τοιχώματος στη στιγμιαία απόδοση διήθησης.

248 3 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ E cake = m A cake f m cake A f cake formation (A.113) 6..3 Φαινομενολογικό μοντέλο Στη συνέχεια περιγράφεται το φαινομενολογικό μοντέλο, το οποίο είναι ένας εναλλακτικός τρόπος για να ληφθεί υπόψη η εναποτεθειμένη αιθάλη στο τοίχωμα. Αρχικά υποτίθεται ότι η απόδοση διήθησης είναι 1% υπό όλες τις συνθήκες. Η νεοφερμένη αιθάλη εναποτίθεται στο τοίχωμα όταν ισχύουν οι ακόλουθες συνθήκες: w < w p. Το τοπικό πάχος της σωματιδιακής στρώσης είναι μικρότερο από το βάθος διείσδυσης. ρ P < ρ P, max. Η τοπική φόρτιση αιθάλης στο τοίχωμα δεν υπερβαίνει τη χωρητικότητα του τοιχώματος (το ρ P χρησιμοποιείται εδώ ως μία μέση συγκέντρωση αιθάλης μέσα στο τοίχωμα). Στην περίπτωση που δεν ισχύουν οι συνθήκες, η νεοφερμένη αιθάλη συσσωρεύεται στην επιφάνεια της σωματιδιακής στρώσης. Αξίζει να αναφερθεί ότι η παλιά στρώση αιθάλης δεν θα μεταφερθεί μέσα στο τοίχωμα υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, ακόμη και αν υπάρχει διαθέσιμη χωρητικότητα στο τοίχωμα. Η περίπτωση αυτή μπορεί να παρατηρηθεί στην επαναφόρτιση του φίλτρου μετά από μία μερική αναγέννηση, στη διάρκεια της οποίας το τοίχωμα έχει αδειάσει μερικώς, ενώ η σωματιδιακή στρώση παραμένει τοπικά (κυρίως στην περιφέρεια του φίλτρου). Κατά την επαναφόρτιση η πτώση πίεσης είναι μικρότερη για δεδομένη μάζα συσσωρευμένης αιθάλης σε σχέση με την αρχική φόρτιση του φίλτρου, όπου το τοίχωμα γεμίζει πλήρως. Η νεοφερμένη αιθάλη που εναποτίθεται μέσα στο τοίχωμα θα κατανεμηθεί κατά μήκος της ενδο-στρωματικής διεύθυνσης εκθετικά, σύμφωνα με τη σχέση: d ρ P ( x) d ρ P Cη, x = Cη,1 e dt dt (A.114) Οι συντελεστές και υπολογίζονται αυτόματα, βασιζόμενοι σε δεδομένα εισόδου. Cη,1 C η, 6.3 Ισοζύγιο μάζας αιθάλης Το ισοζύγιο μάζας αιθάλης περιλαμβάνει την κατανάλωση αιθάλης λόγω της αντίδρασης με οξειδωτικές χημικές (Ο, ΝΟ ) ουσίες και τη συσσώρευση λόγω των εκπομπών του κινητήρα. Μαθηματικά εκφράζεται ως: dmˆ dt p = m ˆ p R k + sf ρ wvwμ p E (A.115) Όπου το mˆ P συμβολίζει την τοπική φόρτιση αιθάλης και ο όρος R k αναφέρεται στο άθροισμα όλων των ρυθμών οξείδωσης της αιθάλης. Με μ συμβολίζεται η συγκέντρωση P

249 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 33 σωματιδίων στο καυσαέριο και E η τοπική απόδοση φιλτραρίσματος. Λόγω των διαφορετικών συνθηκών μέσα στο φίλτρο, το ισοζύγιο μάζας αιθάλης υπολογίζεται για κάθε σημείο ξεχωριστά. Για να εκτιμηθεί η τοπική συσσώρευση αιθάλης, θεωρείται ότι τα σωματίδια αιθάλης ακολουθούν τις ροϊκές γραμμές. Κατά συνέπεια το κλάσμα αιθάλης που επικάθεται σε ένα σημείο είναι ανάλογο του καυσαερίου που διαρρέει τη συγκεκριμένη περιοχή. Αυτή η παραδοχή είναι σε συμφωνία με τα περισσότερα πειραματικά δεδομένα και συνεπάγεται ομοιόμορφη κατανομή της αιθάλης μέσα στο φίλτρο. Η ροή καυσαερίου τείνει να ακολουθεί τη διαδρομή με τις λιγότερες αντιστάσεις. Αυτό σημαίνει ότι αυξημένη ροή θα κατευθυνθεί προς τις σχετικά καθαρές περιοχές του φίλτρου. Συγχρόνως η συσσώρευση αιθάλης θα είναι μεγαλύτερη στις συγκεκριμένες περιοχές σύμφωνα με την προηγούμενη παραδοχή, γεγονός που θα οδηγήσει τελικά σε ομοιόμορφη κατανομή αιθάλης στο φίλτρο [4].

250 34 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ Βιβλιογραφικές αναφορές 1 Ogyu, K., K. Ohno, S.e Hong and T. Komori, 4. "Ash Storage Capacity Enhancement of Diesel Particulate Filter", SAE Technical Paper Bissett E. J., Mathematical Model of the Thermal Regeneration of a Wall-Flow Monolith Diesel Particulate Filter, Chemical Engineering Science, vol. 39, pp Pulkrabek W. W., Ibele W. E., The effect of temperature on the permeability of a porous material, International Journal of Heat and Mass Transfer,, Vol. 3, No. 6, pp Haralampous Onoufrios A., Kandylas Ioannis P., Koltsakis Grigorios C., Samaras Zissis C., Diesel Particulate Filter Pressure Drop. Part I: Modeling and Experimental Validation. Journal of Engine Research, Vol. 5, No., , JER, 4 5 Haralampous Onoufrios A., Kandylas Ioannis P., Koltsakis Grigorios C., Samaras Zissis C., Diesel Particulate Filter Pressure Drop. Part II: On board Calculation of Soot Loading. Journal of Engine Research, Vol. 5, No., , JER 3, 4 6 Konstandopoulos A. G., Skaperdas E., Masoudi M., 1. Inertial Contributions to the Pressure Drop of Diesel Particulate Filters, SAE Paper Koltsakis G. C. and Stamatelos A. M., Modes of Catalytic Regeneration in Diesel Particulate Filters, Industrial & Engineering Chemistry Research, 36 (1) pp VDI-Waermeatlas, 6. Aufl., VDI-Verlag Duesseldorf, Koltsakis G. C. and Stamatelos A. M.,. Modeling of Hydrocarbon Trap Systems, SAE paper R. D. Hawthorn, AIChE Symp. Ser. 7(137) W. M. Kays, A. L. London, Compact Heat Exchangers, nd Ed., Mc-Graw-Hill, New York 1 Boehman A. L., Radiation Heat Transfer in Catalytic Monoliths, AIChE Journal, Vol. 44, No. 1, pp Incropera F. P. and De Witt D. P., 199. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 3 rd Edition, John Willey and Sons 14 Field M. A. et al., Combustion of Pulverized Coal, BCURA Leatherhead, 39,Cheroy and Sons Ltd., Banbury, England 15 Stanmore B. R. Brilhac J. F.and Gilot P., 1. The oxidation of soot: a review of experiments, mechanisms and models Carbon, 39, Jacquot F., Logie V., Brilhac J. F., Gilot P.,. kinetics of the soot oxidation of carbon black by NO : Influence of the presence of water and oxygen Carbon, 4, Barin I. and Knacke O., Thermochemical properties of inorganic substances, Springer-Verlag, 18 Voltz, S.; Morgan, C.; Liederman, D.; Jakob, S., Kinetic Study of Carbon-monoxide and Propylene Oxidation on Platinum Catalysts, Ind. Eng. Chem. Prod. RD, 1, Danckwerts, P. V., Continuous Flow Systems Distribution of Residence Times. Chem. Eng. Sci.,, 1 Dullien F. A. L., Porous Media: Fluid Transport and Pore Structure, Academic Press, 1 Hashimoto S., Miyairi Y., Hamanaka T., Matsubara R., Harada T. and Miwa S.,. SiC and Cordierite Diesel Particulate Filters Designed for Low Pressure Drop and Catalyzed, Uncatalyzed Systems, SAE paper -1-3

251 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΙΘΑΛΗΣ 35 Lee K. W. and Gieseke J. A., Collection of Aerosol Particles by Packed Beds, Environmental Science & Technology, Vol. 13, Num. 4,pp , Gutfinger C. and Tardos G. I., Theoretical and Experimental Investigation on Granular Bed Dust Filters, Atmospheric Environment, Vol. 13, pp , Masoudi M.,. Hydrodynamics of Diesel Particulate Filters, SAE paper

252

253 1 Εισαγωγή B ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Στο τμήμα αυτό του παραρτήματος παρουσιάζεται το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται ως βασικό υπολογιστικό εργαλείο στις προσομοιώσεων του οξειδωτικού καταλύτη στην παρούσα εργασία. Πρόκειται για ένα δισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης της μεταβατικής λειτουργίας του οξειδωτικού καταλύτη, το οποίο αναπτύχθηκε στο ΕΕΘ [1, ], και προσομοιώνει τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και θερμότητας, καθώς και τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε οξειδωτικούς καταλύτες υπό μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Χαρακτηριστικά του μοντέλου Τα πρώτα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης καταλυτικών μετατροπέων αναπτύχθηκαν πριν 5 χρόνια περίπου για την υποστήριξη του σχεδιασμού και ανάπτυξης βελτιωμένων συστημάτων αντιρρύπανσης. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, είναι ένα δισδιάστατο μεταβατικό μοντέλο του οξειδωτικού καταλυτικού μετατροπέα, το οποίο στηρίζεται στην προσομοίωση αντιπροσωπευτικών καναλιών σε διαφορετικές ακτινικές θέσεις. Το σχήμα της μετωπικής επιφάνειας των μονόλιθων είναι συνήθως κυκλικό ή ελλειπτικό. Η δισδιάστατη προσέγγιση του μοντέλου επιβάλει σε κάθε περίπτωση την προσομοίωση του μονόλιθου ως κύλινδρο ίδιας μετωπικής επιφάνειας. Η παραδοχή αυτή δίνει ικανοποιητική ακρίβεια για αρκετές εφαρμογές, με σημαντικά οφέλη σε υπολογιστικό κόστος. Η Εικ. B.1 παρουσιάζει σχηματικά το υπολογιστικό πλέγμα του δισδιάστατου αξισυμμετρικού μοντέλου που περιλαμβάνει το μονόλιθο, τη μόνωση που τον περιβάλλει (στις περιπτώσεις που ο μονόλιθος είναι μονωμένος) και το μεταλλικό κάνιστρο στο οποίο τοποθετείται ο μονόλιθος. Ο αριθμός των κόμβων στην αξονική διεύθυνση είναι τέτοιος που επιτρέπει την επιθυμητή χωρική ανάλυση χωρίς υπερβολική επιβάρυνση σε υπολογιστικό κόστος. Μια τυπική τιμή του χωρικού βήματος για συμβατικές εφαρμογές είναι της τάξης των 5mm. Στην ακτινική διεύθυνση και για την περιοχή του υποστρώματος χρησιμοποιούνται συνήθως -3 κόμβοι για εφαρμογές σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο χωρισμός του πλέγματος γίνεται έτσι, ώστε κάθε επιμέρους "δακτύλιος" να παρουσιάζει την ίδια μετωπική επιφάνεια, με άλλα λόγια το πλέγμα γίνεται πυκνότερο για πιο απομακρυσμένες ακτίνες. Όσον αφορά στην πολύ στενότερη περιοχή εξωτερικά του μονόλιθου χρησιμοποιείται 1 κόμβος για το μονωτικό υλικό και 1 κόμβος για το εξωτερικό μεταλλικό κάνιστρο. Η διακριτοποίηση αυτή θεωρείται επαρκής για τον ακριβή υπολογισμό της μετάδοσης θερμότητας προς το περιβάλλον.

254 38 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Εικ. B.1: Δισδιάστατο αξισυμμετρικό μοντέλο του μετατροπέα και υπολογιστικό πλέγμα. Με δεδομένα τα πεδία ταχύτητας και θερμοκρασίας στην είσοδο του μετατροπέα, μπορούν να προσδιοριστούν αντιπροσωπευτικές τιμές εισόδου για όλα τα κανάλια που περιέχονται σε κάθε δακτύλιο. Κάθε χρονική προώθηση περιλαμβάνει την επίλυση των φαινομένων μεταφοράς και χημικών αντιδράσεων για ένα κανάλι ανά "δακτύλιο" καθώς και τον υπολογισμό του μεταβατικού δισδιάστατου θερμοκρασιακού πεδίου στο μονόλιθο, τη μόνωση και το κάνιστρο. Τα κύρια χαρακτηριστικά του μοντέλου μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: Υπολογισμός της μεταφοράς θερμότητας και μάζας με συναγωγή στα κανάλια του μονόλιθου. Ο υπολογισμός γίνεται με τη βοήθεια έτοιμων λύσεων για τις τιμές των Nu και Sh ενώ λαμβάνονται υπόψη και τα φαινόμενα ανάπτυξης της οριακής στοιβάδας. Η αξονική διάχυση στην αέρια φάση αγνοείται λόγω των πολύ μικρών αριθμών Pe που αντιστοιχούν σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας. Υπολογισμός των ετερογενών καταλυτικών αντιδράσεων πάνω στην καταλυτική επίστρωση με κινητικές σχέσεις του τύπου Langmuir-Hinshelwood. Φαινόμενα διάχυσης διαμέσου της καταλυτικής επίστρωσης καθώς και αντιδράσεων στην αέρια φάση αγνοούνται. Υπολογισμός του δισδιάστατου μεταβατικού θερμοκρασιακού πεδίου στον κυλινδρικό μετατροπέα, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμική αγωγή στο υπόστρωμα και στην περιβάλλουσα μόνωση καθώς και τις απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον με συναγωγή και ακτινοβολία. Οι συνεισφορές της συναγωγής στα κανάλια και της εξώθερμης έκλυσης ενέργειας λαμβάνονται υπόψη με αντίστοιχους όρους πηγής. 3 Εξισώσεις του μοντέλου Με την προϋπόθεση ότι το χρονικό βήμα παραμένει αρκετά μικρό, η μεταβατική απόκριση του καταλυτικού μετατροπέα μπορεί να εξεταστεί σα μια αλληλουχία οιονεί μόνιμων καταστάσεων. Σε τέτοιες περιπτώσεις η απόκριση της στερεάς φάσης όσον αφορά στη θερμοκρασία είναι πάντα πολύ πιο αργή από αυτήν της αέριας φάσης. Μπορεί λοιπόν να υποτεθεί ότι κατά τη διάρκεια του μικρού χρονικού βήματος προώθησης οι αλλαγές των