ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Ευαγγελίδης Γ. Παύλος ΑΕΜ : 5061

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Υπολογιστική διερεύνηση φαινομένων μεταφοράς και χημικών αντιδράσεων σε καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων για βενζινοκινητήρες» Ευαγγελίδης Γ. Παύλος ΑΕΜ : 5061 Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2014

2 1

3 2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΓΙΑ ΒΕΝΖΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Ευαγγελίδης Παύλος ΑΕΜ : 5061 Εξεταστική Επιτροπή: Αναπ. Καθ. Γ. Κολτσάκης Καθηγητής Ζ. Σαμαράς Επ. Καθ. Λ. Ντζιαχρήστος Επιβλέπων Εξεταστής Εξεταστής

4 3 Copyright Ευαγγελίδης Παύλος Copyright A.Π.Θ Υπολογιστική διερεύνηση φαινομένων μεταφοράς και χημικών αντιδράσεων σε καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων για βενζινοκινητήρες Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που εμπεριέχονται σε αυτή τη διπλωματική εργασία εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου.

5 4 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά όλους όσους με βοήθησαν και με στήριξαν τα χρόνια της φοίτησης μου στην Πολυτεχνική σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, την οικογένειά μου, τους φίλους μου, τους καθηγητές μου και τους συμφοιτητές μου, καθώς και όσους συνετέλεσαν στη διαδικασία εισαγωγής μου στο πανεπιστήμιο. Συγκεκριμένα, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Γρηγόρη Κολτσάκη για την εμπιστοσύνη και την συμπαράσταση που μου έδειξε κατά τη διεξαγωγή της διπλωματικής εργασίας, αλλά κυρίως για την υποδειγματική του παρουσία και διδασκαλία όλα αυτά τα χρόνια της φοίτησής μου στη σχολή. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον κ. Ζήση Σαμαρά, ως διευθυντή του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ), για τη θερμή συμπαράστασή του και για την πειραματική υποστήριξη της εργασίας όπου χρειάστηκε. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον διδακτορικό φοιτητή κ. Απόστολο Καρβουντζή- Κοντακιώτη, τους συνεργάτες μου μηχανολόγους Σκαρλή Σταύρο και Καραμήτρο Δημήτρη για την πολύτιμη προσφορά τους στη διπλωματική μου εργασία και την άψογη συνεργασία που είχαμε τον τελευταίο διάστημα καθώς και τους υπόλοιπους διδακτορικούς του εργαστηρίου, αφού οι συζητήσεις μαζί τους ήταν ιδιαίτερα διδακτικές για μένα.

6 5

7 6 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος : Αναπλ. Καθηγ. Κολτσάκης Γρηγόρης 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης : Αναπλ. Καθηγ. Κολτσάκης Γρηγόρης 7. Τίτλος εργασίας : ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΓΙΑ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: ΕΥΑΓΓΕΛΙΔΗΣ ΠΑΥΛΟΣ 10. Θεματική Περιοχή : Τεχνολογία καταλυτικών φίλτρων σωματιδίων για κινητήρες GDI 11. Ημερομηνία Έναρξης : Νοέμβριος Αριθμός Ειδικού Μητρώου : Ημερομηνία Παράδοσης : Νοέμβριος Περίληψη : Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση των επιμέρους φαινομένων μεταφοράς και των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε ένα καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων για τους βενζινοκινητήρες απευθείας έγχυσης καυσίμου. Η διερεύνηση της εργασίας βασίστηκε εξολοκλήρου σε μοντέλα προσομοίωσης του υπολογιστικού προγράμματος axisuite, κάνοντας χρήση το axitrap. Για την κατανόηση των φαινομένων, πρώτα αναφέρεται το θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται για την κατανόηση των αποτελεσμάτων, περιγράφοντας αναφορικά τη λειτουργία των φίλτρων και τις σχεδιαστικές παραμέτρους. Στο πρώτο κομμάτι διερευνάται και προσομοιώνεται το καταλυτικό φίλτρο σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης εξετάζοντας τα φαινόμενα μεταφοράς σε σύγκριση με έναν τριοδικό καταλύτη. Στο δεύτερο κομμάτι διερευνάται επίσης με προσομοίωση οι χημικές αντιδράσεις του καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων και η επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην μετατροπή των ρύπων. 13. Αριθμός Εργασίας : 14.DI.0068.V1 15. Στοιχεία Εργασίας : Αρ. Σελίδων : 82 Αρ. Εικόνων : 77 Αρ. Διαγραμμάτων : Αρ. Πινάκων : 18 Αρ. Παραπομπών : Λέξεις κλειδιά : Καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων, GPF 17. Σχόλια : Τέλος, ολοκληρώνοντας την διερεύνηση του καταλυτικού φίλτρου εξετάζεται η επίδραση της αιθάλης στη λειτουργία του φίλτρου αλλά και η παθητική αναγέννησης κάτω υπό ορισμένες συνθήκες. 18.Συμπληρωματικές Παρατηρήσεις : 19. Βαθμός :

8 7

9 8 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Περίληψη Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση του καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων για κινητήρες βενζίνης (ή Gasoline Particulate Filter) μέσω του υπολογιστικού προγράμματος axisuite, ως προς τα φαινόμενα μεταφοράς και τις χημικές αντιδράσεις που το διέπουν. Η εργασία στηρίζεται σε πειραματικά δεδομένα και αποτελέσματα αλλά κυρίως σε υπολογιστικά εργαλεία προσομοίωσης φίλτρων αιθάλης, συγκεκριμένα στο λογισμικό AXISUITE, το οποίο έχει εξελιχθεί από την Exothermia S.A και το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ). Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια περιγραφή της υπάρχουσας νομοθεσίας για τις εκπομπές αυτοκινήτων, αναφέρονται συνοπτικά οι στόχοι της εργασίας όπως και η δομή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο τονίζεται το θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται από την εργασία, με αναφορά πρωτίστως στα χαρακτηριστικά και τη λειτουργία της παγίδας αιθάλης, τη λειτουργία του τριοδικού καταλύτη έως την λειτουργία, εφαρμογή και βελτιστοποίηση του καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων αναλόγως τις σχεδιαστικές παραμέτρους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση των φαινομένων μεταφοράς στο καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων προσομοιώνοντας συνθήκες ψυχρής εκκίνησης. Η διερεύνηση περιλαμβάνει και τη σύγκριση του καταλυτικού φίλτρου με έναν τριοδικό καταλύτη εξετάζοντας τα φαινόμενα μεταφοράς που διαφέρουν τις δυο συσκευές Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση των χημικών αντιδράσων στο καταλυτικό φίλτρο υπό την επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης zoning - και των γεωμετρικών παραμέτρων που επηρεάζουν τα φαινόμενα μεταφοράς. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται η επίδραση της αιθάλης στα φαινόμενα μεταφοράς επαληθεύοντας τα υπολογιστικά αποτελέσματα με πειραματικά δεδομένα, ενώ διερευνάται και η επίδραση της αιθάλης στο καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων για τριάντα διαδοχικούς κύκλους οδήγησης NEDC.

10 9 Abstract The purpose of the diplomatic work is the computational investigation of the transport and chemical reactions phenomena of the catalyzed particulate filter for gasoline engines (Gasoline Particulate Filter), through the AXITRAP software program. This work is based on experimental data and outcome but mainly on computer simulation tools of catalyzed particulate filters and more specifically on the AXISUITE software, which is developed by Exothermia SA Company and the Laboratory of the Applied Thermodynamics (LAT). In the first chapter, a short description of the existing legislation on car emissions is attempted while the work s goals and structure are introduced In the second chapter the required theoretical background for this study is emphasized, referring primarily to the functionalities and characteristics of the particulate filter, the functionality of the three way catalyst and the implementation with optimization of the gasoline particulate filter depending on the design parameters. In the third chapter the transport phenomena in the catalyzed particulate filter are investigated by simulating cold start conditions. The investigation also includes the comparison of the catalyzed particulate filter with a three-way catalyst examining the different transport phenomena. In the fourth chapter there is an investigation of the chemical reactions in the catalyzed particulate filter under the effect of the dissimilar distribution of the catalytic layer zoning and the geometric parameters which affect the transport phenomena. In the fifth chapter the effect of soot on transport phenomena is examined verifying the computational results with experimental data whereas the effect of soot in the catalyzed particulate filter for thirty successional driving cycles, NEDC is under investigation.

11 10 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας Δομή της διπλωματικής εργασίας Θεωρητικό Υπόβαθρο Αρχή λειτουργίας των Παγίδων Αιθάλης (DPF) Αρχή λειτουργίας καταλυτικού φίλτρου (GPF) για κινητήρες GDI Σχεδιαστικοί παράμετροι καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων (GPF) Υπολογιστική διερεύνηση του Καταλυτικού Φίλτρου σε συνθήκες ψυχρής Εκκίνησης Φαινόμενα μεταφοράς και χημικές αντιδράσεις Προετοιμασία καταλυτών και κινητικό μοντέλο προσομοίωσης Σύγκριση καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων (GPF) με τριοδικό καταλύτη Επίδραση της θερμικής μάζας Επίδραση της πυκνότητας των κελιών και της θερμικής μάζας των ταπών Επίδραση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας Επίδραση του συντελεστή διάχυσης Υπολογιστική διερεύνηση καταλυτικών φίλτρων με «zoning» Φαινόμενα μεταφοράς και χημικές αντιδράσεις σε καταλυτικά φίλτρα με «zoning» Προετοιμασία καταλυτικών φίλτρων Επίδραση του λόγου μήκος διάμετρος Επίδραση «zoning» Επίδραση της ποσότητας «washcoat» Επίδραση διαφορετικών παραμέτρων σε καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων

12 11 5 Υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης αιθάλης στο καταλυτικό φίλτρο Διερεύνηση της πτώσης πίεσης σε καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων με «zoning» Προετοιμασία καταλυτικών φίλτρων Αποτελέσματα της βαθμονόμησης των καταλυτικών φίλτρων Διερεύνηση φαινομένων μεταφοράς για την μείωση των εκπομπών αριθμού σωματιδίων Επίδραση αιθάλης Συμπεράσματα Βιβλιογραφία... 93

13 12 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Κεφάλαιο 1 ο 1 Εισαγωγή Η αυξανόμενη περιβαλλοντική συνείδηση τις τελευταίες δυο δεκαετίες, έχει επιφέρει ραγδαίες αλλαγές στην νομοθεσία των εκπεμπόμενων ρύπων επικεντρώνοντας στη βόρειο Αμερική, στην Ευρώπη αλλά και οπουδήποτε τηρούνται μέτρα εκπομπών για τις δυο κατηγορίες κινητήρων βενζίνης και πετρελαίου. Πέραν της περιβαλλοντικής επίπτωσης των καυσαερίων στο περιβάλλον, μετά από εκτενής αξιολόγηση παλαιότερης έρευνας της IARC (International Agency for Research on Cancer), βγήκε το συμπέρασμα ότι οι ρύποι των κινητήρων πετρελαίου είναι υπεύθυνοι για καρκινογένεση στον άνθρωπο (Group 1, 2012), ειδικότερα προκαλώντας καρκίνο στο πνεύμονα [1]. Η αιτία του προβλήματος είναι κυρίως τα εκπεμπόμενα σωματίδια τα οποία έχουν την δυνατότητα να επικαθίσουν στους πνεύμονες του ανθρώπου με τις αντίστοιχες επιπτώσεις. Στην εικόνα 1.1, απεικονίζεται το μέγεθος των σωματιδίων συγκριτικά με άλλα αναφορικά μεγέθη. Η επιστημονική κοινότητα από τη μεριά της, είναι αναγκασμένη να αναζητήσει νέες τεχνολογικές λύσεις στον τομέα της αντιρρύπανσης των κινητήρων, που απασχολεί το θέμα της διπλωματικής εργασίας, με σκοπό να πληρεί τα νέα όρια εκπομπών που περικλείονται στο νέο σύστημα Euro 6, τα οποία έχουν ως στόχο να μειώσουν περαιτέρω τους ρύπους. Η παγκοσμίως αποδεκτή νομοθεσία περί των εκπομπών εκφράζεται μέσω του συστήματος Euro. Οι απαιτήσεις των ορίων εκπομπών από το Euro 5 στο Euro 6 είναι εντυπωσιακές καθώς η νομοθεσία έθεσε μείωση της τάξης του 75% σε οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) και νέο τρόπο μέτρησης των σωματιδίων. Για τη μέτρηση των εκπεμπόμενων σωματιδίων από τα οχήματα επιβαλλόμενης ανάφλεξης σήμερα χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο μέτρησης ΠΜΣ (πρόγραμμα μέτρησης σωματιδίων) που αναπτύχθηκε για τα οχήματα ντίζελ. Τόσο το φάσμα των μεγεθών και οι χημικές συνθέσεις των σωματιδίων όσο και η αποτελεσματικότητα της τρέχουσας τεχνικής μέτρησης για τον έλεγχο των εκπεμπόμενων επιβλαβών σωματιδίων πρέπει να επανεξετάζονται διαρκώς. Στο μέλλον είναι πιθανόν να χρειαστεί η αναθεώρηση του εν λόγω πρωτοκόλλου μέτρησης για τα οχήματα με κινητήρα επιβαλλόμενης ανάφλεξης. Βάσει των όσων είναι γνωστά σήμερα, το επίπεδο των εκπομπών σωματιδίων από συμβατικούς κινητήρες με έγχυση καυσίμου από θυρίδες (PFI), οι οποίοι εγχέουν το καύσιμο σε πολλαπλής εισαγωγής ή θυρίδες εισαγωγής και όχι απευθείας στον θάλαμο καύσης, είναι χαμηλό, εικόνα 1.2. Επομένως, θεωρείται αιτιολογημένος ο περιορισμός των ρυθμιστικών ενεργειών, προς το παρόν, στα οχήματα με κινητήρες απευθείας έγχυσης, χωρίς να αποκλείεται η περαιτέρω έρευνα και παρακολούθηση των επιδόσεων όλων των κινητήρων επιβαλλόμενης ανάφλεξης, όσον αφορά τις εκπομπές σωματιδίων, ιδίως σε σχέση με το φάσμα μεγεθών και τη χημική σύνθεση των εκπεμπόμενων σωματιδίων. Τα όρια εκπομπών αριθμού σωματιδίων καθώς και οι υπόλοιποι ρύποι παρουσιάζονται στον πίνακα 1.1 και πίνακα 1.2 όπως οριοθετήθηκαν από την Ευρωπαϊκή επιτροπή [2].

14 13 εικόνα 1.1. Το μέγεθος των επιβλαβών σωματιδίω ν που εκπέμπονται από κινητήρες απευθείας έγχυσης συγκριτικά με κάποια μεγέθη αναφοράς όπως μια ανθρώπινη τρίχα και ένας κόκκος άμμου. (Πηγή: Adverse heal th effects of traffic -derived emissions: ul trafines and non-exhaust Fl emming Cassee, RIVM, The Netherl ands, Horiba Concept 14./ O riginal Courtesy of EPA US) Ως εκ τούτου, οι αυτοκινητοβιομηχανίες καινοτόμησαν στο κομμάτι του κινητήρα δημιουργώντας τη σειρά GDI. Τα αποτελέσματα αυτής της καινοτομίας είναι μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, δείχνοντας με αυτό τον τρόπο την ευαισθητοποίηση ως προς το περιβαλλοντικό ζήτημα, καθώς και μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Παρόλα αυτά, ένας κινητήρας GDI εκπέμπει μεγάλο αριθμό σωματιδίων σε μικρότερες κλάσεις συγκριτικά με έναν κινητήρα ντίζελ, με βλαβερές συνέπειες στον άνθρωπο όπως αναφέρθηκε. Η ανάγκη για μείωση των σωματιδίων για τέτοιους κινητήρες οδήγησε στη σύλληψη της ιδέας, την τοποθέτηση μίας καταλυτικής παγίδας αιθάλης (Gasoline Particulate Filter GPF) σε βενζινοκίνητο όχημα. Ως γνωστών, ένας κινητήρας ντίζελ, ή αλλιώς κινητήρας εναύσεως με συμπίεση, λειτουργεί με φτωχό μίγμα εκλύοντας τρεις σοβαρούς ρύπους, τα οξείδια του αζώτου (NO X ), τους υδρογονάνθρακες (ΤΗC) και τα σωματίδια ή αιθάλη (soot C). Ο λόγος έκλυσης των ρύπων αφορά στην διαδικασία έναυσης του καυσίμου και ορισμένους άλλους παράγοντες που δεν αποτελούν αντικείμενο της παρούσας εργασίας [4]. Από την άλλη μεριά, ένας βενζινοκινητήρας λειτουργεί με στοιχειομετρικό λόγο αέρα καυσίμου, εκλύοντας με τη σειρά του οξείδια του αζώτου, υδρογονάνθρακες και μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Η νέα τάση στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι οι κινητήρες απευθείας έγχυσης βενζίνης (GDI), οι οποίοι εκλύουν ίδιους ρύπους με τους κινητήρες πετρελαίου. Από τη στιγμή που καθιερώνονται ολοένα και περισσότερο οι βενζινοκινητήρες απευθείας έγχυσης, οι βασικοί ρύποι για τη βενζίνη αυξάνονται από τρείς σε τέσσερις και η χρήση μόνο του τριοδικού καταλύτη δεν είναι αρκετή, καθώς πλέον ένας κινητήρας βενζίνης εκπέμπει σωματίδια σε μεγάλο αριθμό, εικόνα 1.2.

15 14 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα 1.2. Εικόνες Scanning El ectron Micrograph (SEM ) από παραδοσιακό κινητήρα ντίζελ (αριστερά) και η μορφολογία της αιθάλης από ανάλυση ενός κινητήρα απευθείας έγχυσης (DISI) (δεξιά) σε κλίμακα των 200nm. (Πηγή: A gl obal and historical perspective on the exposure characteristics of traditional and new technol ogy diesel exhaust May 2012 IARC, An anal y sis of direct-injection spark -ignition (DISI) soot morphol ogy Barone et al., Atmospheric Env ironment, Vol ume 49, March 2012, Pages ) πίνακα 1.1. Όρια Εκπομπών Euro 6. Euro 6 Emission Limits Limit Values Reference (RM) (kg) Mass of carbon monoxide (CO) Mass of total hydrocarbons (THC) Mass of non-methane hydrocarbons (NMHC) Mass of oxides of nitrogen (NO X ) Combined mass of hydrocarbons and oxides of nitrogen (THC + NO X ) Mass of particulate matter (PM) ( 1 ) Number of particles (PN) L 1 (mg/km) L 2 (mg/km) L 3 (mg/km) L 4 (mg/km) L 2 + L 4 (mg/km) L 5 (mg/km) L 6 (#/km) Category Class PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI ( 2 ) CI PI ( 2 )( 3 ) CI M All * * I RM * * N 1 II 1305 RM * * III 1760 < RM * * N 2 All * * Key : PI = Positive Ignition, CI = Compression Ignition ( 1 ). A limit of 5.0 mg/km for the mass of particulate emissions applies to vehicles type approved to the emission limits of this table with the previous particulate mass measurment protocol, before ( 2 ). Positive ingition particulate mass and number llimits shall apply only to vehicles with direct ingection engines. ( 3 ). Until three years after the dates specified in Article 10(4) and (5) for new type approvals and new vehicles respectively, a particle number emission limit of 6.0*10 12 #/km shall apply to Euro 6 PI direct injection vehicles upon the choise of the manufacturer. Until those dates at latest a type approval test method ensuring the effective limitation of the number of particles emitted by vehicles under real driving conditions shall be implemented. 1.1 Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην υπολογιστική διερεύνηση των φαινομένων μεταφοράς και χημικών αντιδράσεων του καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων (Gasoline Particulate Filter). Η μελέτη για την προκείμενη συσκευή έχει ουσία διότι η εφαρμογή της στους νέους κινητήρες βενζίνης απευθείας έγχυσης (Gasoline Direct Injection) θεωρείται αναγκαία είτε ως πρόσθετη συσκευή είτε ως αντικαταστάτης του τριοδικού καταλύτη. Πρόσθετο κομμάτι της εργασίας αποτελεί και η συμπεριφορά του φίλτρου με την ενοποίηση του τριοδικού καταλύτη στο εσωτερικό του τοιχώματος (wall flow filter with integrated three way catalyst) καθώς επίσης και η κατανομή της καταλυτικής επίστρωσης (washcoat) με των ενεργών μετάλλων της ομάδας του λευκόχρυσου, (Platinum Group of Metals) σε επιμέρους ζώνες (zoned Gasoline Particulate Filter). Σε κάθε περίπτωση το καταλυτικό φίλτρο θα πρέπει να πληρεί τα όρια εκπομπών Euro 6 και κυρίως τις εκπομπές σωματιδίων, των οποίων εκπομπών ο αριθμός υπερβαίνει κατά πολύ τον αριθμό σωματιδίων που εκπέμπονται από τους συμβατικούς κινητήρες με έγχυση καυσίμου σε θυρίδες (Port Fuel Injection). Ο σκοπός της εργασίας είναι να εξετάσει μέσα από τη σκοπιά του μηχανικού και με τη βοήθεια αξιόπιστου

16 15 μηχανολογικού λογισμικού axisuite τη λειτουργία και τη συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων. Κυρίως θα εξεταστούν οι παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία του φίλτρου και του συστήματος, όπως η πυκνότητα κελιών (cell density), το πάχος τοιχώματος (wall thickness), ο λόγος μήκος διάμετρος (length/diameter), η ποσότητα καταλυτικής επίστρωσης (washcoat), παρατηρώντας κάθε στιγμή την συμπεριφορά του φίλτρου στην μετατροπή των ρύπων και την πτώση πίεσης. πίνακα 1.2. Χρονοδιάγραμμα της νομοθεσίας περί εκπομπών στις δυο ηπείρους, αλλά και στην Ιαπωνία. Η νομοθεσία Euro 6b μπαίνει σε ισχύ από το Σεπτέμβριο του 2014.

17 16 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 1.2 Δομή της διπλωματικής εργασίας Η διπλωματική εργασία αποτελείται από τα εξής κεφάλαια: Αρχικά, στο κεφάλαιο 2 επεξηγείται η αρχή λειτουργίας των παγίδων αιθάλης, δίνοντας βασικούς ορισμούς και τεχνικά χαρακτηριστικά τα οποία σχετίζονται με τα καταλυτικά φίλτρα ενώ στη συνέχεια αναφέρονται βασικές διατάξεις που εφαρμόζονται σε κινητήρες GDI. Επιπλέον, αναφέρονται οι βασικές παράμετροι σχεδιασμού του GPF προκειμένου να εναρμονιστεί με τις προδιαγραφές του συστήματος του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 3 διερευνάται η συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου με ενοποιημένο τριοδικό καταλύτη στο εσωτερικό του τοιχώματός του, σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης συγκρινόμενο με έναν συμβατικό τριοδικό καταλύτη. Επίσης, στο παρών κεφάλαιο μελετάται η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων που ξεχωρίζουν τις δυο συσκευές καθώς και τα συγκριτικά αποτελέσματά τους. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοιώσεων στα οποία εξετάστηκαν διάφορα καταλυτικά φίλτρα με διαφορετικές παραμέτρους όπως η επίδραση του λόγου μήκους διαμέτρου, της ποσότητας washcoat, της στοχευόμενης εναπόθεσης των καταλυτικών ουσιών (washcoat & PGM) σε δυο ζώνες και του συνδυασμού των ανωτέρω. Στο κεφάλαιο 5, γίνεται υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης της αιθάλης στο καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων και ειδικότερα στην πτώση πίεσης, στην φόρτιση του φίλτρου με αιθάλη και στην αναγέννηση της ποσότητας της αιθάλης που βρίσκεται στη συσκευή και στην κατανομή της αιθάλης ανάλογα την εναπόθεση της καταλυτικής επίστρωσης. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα συμπεράσματα των αποτελεσμάτων από τα τρια κεφάλαια που εξετάστηκε το καταλυτικό φίλτρο.

18 17 Κεφάλαιο 2 ο 2 Θεωρητικό Υπόβαθρο 2.1 Αρχή λειτουργίας των Παγίδων Αιθάλης (DPF). Γενικά, τα φίλτρα σωματιδίων ντίζελ (diesel particulate filters) ή αλλιώς παγίδες αιθάλης (soot traps), είναι συσκευές που συλλέγουν τα σωματίδια των καυσαερίων με φυσικό τρόπο, εμποδίζοντας την απελευθέρωση τους στην ατμόσφαιρα. Τυπικά, μια παγίδα αιθάλης είναι ένας κεραμικός μονόλιθος ροής τοιχώματος, κυλινδρικής διατομής μορφοποιημένος με διέλαση, όπου τα συνεχόμενα κανάλια είναι φραγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε ανοιχτό κανάλι να είναι πάντοτε περιτριγυρισμένο από φραγμένο, εικόνα 2.1. Με αυτό τον τρόπο, τα καυσαέρια στην έξοδο ωθούνται να περάσουν διαμέσου του πορώδους του τοιχώματος, επιτρέποντας την υψηλή απόδοση σε εναπόθεση σωματιδίων, η οποία μπορεί να ξεπεράσει και το 90% της απόδοσης. Στην πραγματικότητα, οι παγίδες αιθάλης είναι το πιο αποτελεσματικό μέσο στη μείωση των σωματιδιακών εκπομπών με τόσο υψηλές αποδόσεις [3]. εικόνα 2.1. Τυπική όψη ενός φίλτρου αιθάλης από κορδιερί τη με εναλλακτικά κανάλια εισροής (αριστερά). Εικόνα της διατομής ενός καναλιού μιας παγίδας αιθάλης με συσσωρευμένη στρώση αιθάλης (δεξιά),[14]. Συνοπτικά, η εναπόθεση της σωματιδιακής μάζας προκαλείται σύμφωνα με δυο τύπους. Εκκινώντας από την καθαρή κατάσταση, τα σωματίδια που διαπερνούν το τοίχωμα συλλέγονται αρχικά από τους μικρο-πόρους μέσα στο τοίχωμα του φίλτρου. Τέτοιου είδους φιλτράρισμα βασίζεται στην παρεμπόδιση και/ή στον μηχανισμό βαθειάς διήθησης στο μέσο του πορώδους και ονομάζεται «deep bed filtration». Ο βαθμός της εναπόθεσης ενός τελείως καθαρού φίλτρου είναι της τάξης του 60 έως 80%. Εξαιτίας της χαμηλής πυκνότητας, τα ιδία σωματίδια τροποποιούν αρκετά γρήγορα την μορφολογία της μικροδομής του τοιχώματος από το αρχικό φίλτρο και κατά συνέπεια φιλτράρουν τους εαυτούς τους. Αποτέλεσμα αυτού είναι οι ανοιχτοί πόροι στην επιφάνεια του τοιχώματος να φράζουν και ένα συνεχόμενο στρώμα αιθάλης να σχηματίζεται, δημιουργώντας το ιδανικό φίλτρο για την ερχόμενη αιθάλη, δίνοντας

19 18 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ τη δυνατότητα ο βαθμός απόδοσης του φιλτραρίσματος να αγγίξει το 100%. Για τα τυπικά φίλτρα σωματιδίων του εμπορίου, η εκλυόμενη ποσότητα αιθάλης έχει τη δυνατότητα να εναποτίθεται ως «κέϊκ» (cake) όταν η ποσότητα της συσσωρευμένης μάζας υπερβαίνει προσεγγιστικά τα g/l του φίλτρου. Οι αναφερθέντες τιμές ωστόσο, μπορεί να ποικίλουν ανάλογα με την μικροδομή του φίλτρου. Ο τελευταίος μηχανισμός φιλτραρίσματος, συνήθως αναφέρεται ως «συλλεγόμενη αιθάλη» (cake filtration), έχει ως αποτέλεσμα την απότομη αύξηση του βαθμού εναπόθεσης, η οποία αύξηση συνοδεύεται με ανεπιθύμητη αύξηση της αντίθλιψης (back pressure), [13]. Σε σύνδεση με τα προαναφερθέντα, ο παράγοντας που αντικρούει τα πλεονεκτήματα που προσδίδει η παγίδα αιθάλης είναι η παρουσία της αυξημένης πτώσης πίεσης στην εξαγωγή, ή αλλιώς αντίθλιψη (back pressure), η οποία επηρεάζει αρνητικά τη λειτουργία του κινητήρα μέσω της αύξησης των απωλειών άντλησης, επιδεινώνοντας την κατανάλωση καυσίμου και κατ επέκταση τις εκπομπές ρύπων κυρίως σε διοξείδιο του άνθρακα. Επομένως οι εν λόγω συσκευές, πρέπει να παρέχουν με κάποιο τρόπο την αποδοτική απομάκρυνση των σωματιδίων με τη μηδαμινή επίπτωση στην λειτουργία του συστήματος προσφέροντας παράλληλα το ελάχιστο δυνατό κόστος. Μεγάλης βαρύτητας, λοιπόν, είναι το θέμα της πτώσης πίεσης, το οποίο μπορεί να αντιμετωπισθεί με κατάλληλη επιλογή υλικών και διαμόρφωση της γεωμετρίας της παγίδας όπως θα παρουσιαστεί στην ενότητα 2.3. Επικεντρώνοντας στο θέμα της διπλωματικής εργασίας, τον τελευταίο καιρό οι παγίδες αιθάλης σύνδεσαν την λειτουργία τους και με τους βενζινοκινητήρες, λόγω της νέας τεχνολογίας απευθείας έγχυσης καυσίμου (GDI). Εμφανώς η εισαγωγή έγινε για τους σύγχρονους κινητήρες βενζίνης απευθείας έγχυσης, οι οποίοι εκλύουν μία τάξη μεγέθους παραπάνω αριθμό σωματιδίων από τους συμβατικούς με έγχυση σε θυρίδες (PFI). Παρόλο που η συνολική μάζα των σωματιδίων που εκπέμπεται από τους βενζινοκινητήρες είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη, σε σύγκριση με έναν κινητήρα ντίζελ, ο αριθμός των σωματιδίων ενδέχεται να ξεπεράσει τα όρια εκπομπών εξαιτίας του χαμηλότερου μέσου όρου μεγέθους σωματιδίων. Τα σωματίδια τα οποία είναι μικρότερα των 20 νανομέτρων (nm) σε διάμετρο, έχει ερευνηθεί ότι είναι πολύ επικίνδυνα καθώς έχουν μεγάλη δυνατότητα να διεισδύσουν στους πνεύμονες προκαλώντας σοβαρά προβλήματα και κυρίως καρκίνο, εικόνα 1.1. Η αμφιβολία που δημιουργείται για τους κινητήρες βενζίνης απευθείας έγχυσης, εάν συμβάλλουν στη μείωση των ρύπων, απαντάται από την υψηλή απόδοση που συγκεντρώνουν όσο αφορά την εξοικονόμηση καυσίμου παράλληλα με τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα διατηρώντας ταυτόχρονα άριστη οδηγική συμπεριφορά, καθώς συνδυάζουν την τεχνολογία down-sizing και της υπερπλήρωσης (turbocharger). Για το λόγο αυτό, οι περισσότεροι κινητήρες PFI ενδέχεται να αντικατασταθούν από κινητήρες απευθείας έγχυσης στο σύντομο μέλλον εικόνα 2.2. Ως κυρίαρχος της αγοράς των μελλοντικών χρόνων, ο κινητήρας GDI είναι επακόλουθο να συγκεντρώνει την προσοχή των ερευνητών. Συνέπεια των ανωτέρων είναι μια ευρύτερη προσπάθεια που παρατηρείται από ερευνητές και μηχανικούς

20 19 ώστε να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του όπως επίσης και να εξοπλισθεί με κατάλληλα συστήματα μετεπεξεργασίας καυσαερίων εκπληρώνοντας τους νομοθετικούς στόχους, (Exhaust Aftertreatment Systems). Το πρώτο βήμα έγινε με την εφαρμογή ενός απλού φίλτρου σωματιδίων, ροής τοιχώματος, στο πίσω μέρος ενός τριοδικού καταλύτη για την μείωση των σωματιδίων. Τα αποτελέσματα ήταν αισθητά στην κατακράτηση της αιθάλης, τα οποία επέφεραν ελπιδοφόρα μηνύματα για την επίτευξη των ορίων εκπομπών, εικόνα 2.3. Από την άλλη μεριά, η εφαρμογή του καταλυτικού φίλτρου στο πίσω μέρος ενός τριοδικού καταλύτη παρουσιάζει ορισμένα προβλήματα τα οποία δεν εξυπηρετούν τον αρχικό στόχο της μείωσης του εκπεμπόμενου διοξειδίου του άνθρακα, διότι η πτώση πίεσης του φίλτρου επιβαρύνει τον αρχικό στόχο. Γι αυτό το λόγο ο σχεδιασμός του συστήματος μετεπεξεργασίας και κατ επέκταση η προσθήκη της παγίδας αιθάλης είναι πολύ σημαντικός. εικόνα 2.2. Ο ι μηχανές εσωτερικής καύσης θα δεσπόζουν και στο μέλλον. Παράλληλα οι κινητήρες GDI σε συνδυασμό με το downsizing και το turbocharging θα εδραιώνονται στην αγορά με σκοπό την περαιτέρω μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και του διοξειδίου του άνθρακα. (Πηγή: Continental, 34th International Vienna Motor Symposiu m 2013, Next Generation Engine Management Systems for Gasol ine Direct Injection )

21 20 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Eur o 6c PN limit 6* [#/k m] εικόνα 2.3. Εκπομπές αριθμού σωματιδίων ( PN) για σύστημα χωρίς GPF (original ), με GPF (GPF fresh) και με GPF γερασμένο μετά από 8000 km (GPF aged after 8000 km). Η αποτελεσματικότητα του GPF είναι αισθητή από την αρχή (source: Deutsche Umwel thilfe, onl ine press ). Από εμπεριστατωμένες έρευνες για το καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων, το τελευταίο εφαρμόζεται ως «πρόσθετη συσκευή» (add-on GPF) μετά από ένα τριοδικό καταλύτη στη πλειοψηφία των ερευνών. Η συνηθέστερη διάταξη ενός συστήματος μετεπεξεργασίας για έναν κινητήρα GDI, αποτελείται από έναν τριοδικό καταλύτη στο μπροστινό μέρος (upstream) και ένα καταλυτικό φίλτρο στο πίσω μέρος (downstream). Εξαιτίας της θέσης του φίλτρου σε τέτοιου είδους συστήματα προσδόθηκε και η ονομασία «πρόσθετη συσκευή». Οι μέχρι τώρα έρευνες χρησιμοποιούν ως γνώμονα αυτή τη διάταξη, διότι η παρουσία του τριοδικού καταλύτη στο μπροστινό μέρος ενεργεί ως «παγίδα» των δηλητηρίων που προέρχονται από τα καύσιμα και τα λιπαντικά του κινητήρα όπως επίσης προστατεύει το φίλτρο και από θερμική γήρανση, εικόνα 2.5. Παράλληλα με την διερεύνηση της βέλτιστης διάταξης, διάφορες ιδέες έχουν εξεταστεί για τη βέλτιστη απόδοση της μετατροπής των ρύπων διατηρώντας χαμηλά το κόστος παραγωγής. Μια από αυτές είναι και η τεχνολογία «zoning» η οποία εφαρμόζεται, ανάλογα τον σχεδιασμό, είτε στη μια συσκευή είτε και στις δυο επιταχύνοντας τις αντιδράσεις των ρύπων και μειώνοντας το κόστος του συστήματος. Αφήνοντας αιχμές για το μέλλον, ευρύτερες έρευνες διενεργούνται με σκοπό το καταλυτικό φίλτρο να αντικαταστήσει τον τριοδικό καταλύτη και τη λειτουργία του, εικόνα 2.4, μειώνοντας περαιτέρω το κόστος ενός συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίων.

22 21 εικόνα 2.4. Τυπικές διατάξεις του συστήματος τριοδικού καταλύτη με ένα καταλυτικό φίλτρο. Στην προτελευταία διάταξη είναι εμφανές ότι εξετάζεται η συμπεριφορά μόνο του καταλυτικού φίλτρου για μελλοντική αντικατάσταση του τριοδικού, [ 19]. εικόνα 2.5. Σύγκριση μεταξύ καταλυ τικού φίλτρου ως μοναδικός καταλύτης στην έξοδο και τριοδικός καταλύτης με καταλυτικό φίλτρο στην έξοδο. Τα δεδομένα προέρχονται από ένα κινητήρα turbo 2.0l DI EU5. Και στα δυο συστήματα το φίλτρο είναι γηρασ μένο, [ 12]. 2.2 Αρχή λειτουργίας καταλυτικού φίλτρου (GPF) για κινητήρες GDI. Με σκοπό την μείωση του αριθμού σωματιδίων, λοιπόν, μελέτες γίνονται για το επονομαζόμενο φίλτρο σωματιδίων με καταλυτική επίστρωση (Gasoline Particulate Filter) με στόχο την απομάκρυνση της αιθάλης αλλά ταυτόχρονα και τους τρείς κυρίαρχους ρύπους της βενζίνης. Τα χαρακτηριστικά των φίλτρων σωματιδίων με καταλυτική επίστρωση συνδυάζουν το συμβατικό τριοδικό καταλύτη (TWC) και την παγίδα αιθάλης σε μία συσκευή. Ο τρόπος που επιτυγχάνεται αυτό είναι εναποθέτοντας εσωτερικά του τοιχώματος του φίλτρου καταλυτική επίστρωση (washcoat) με πολύτιμα μέταλλα (Platinum Group Metals PGM), αντίθετα με τον τριοδικό καταλύτη όπου η επίστρωση τοποθετείτε στο επάνω μέρος του τοιχώματος. Το αποτέλεσμα της συνένωσης είναι η μείωση του αριθμού σωματιδίων στην έξοδο του καταλύτη καθώς επίσης και των υπολοίπων ρύπων ενός στοιχειομετρικού κινητήρα. Η κατανόηση της

23 22 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ λειτουργίας ενός καταλυτικού φίλτρου επιβάλλει πρωτίστως την κατανόηση των φαινομένων ενός τριοδικού καταλύτη και ακολούθως των φαινομένων μιας παγίδας. Ο λόγος είναι διότι η εφαρμογή τέτοιων συσκευών προορίζεται για βενζινοκινητήρες οι οποίοι λειτουργούν στοιχειομετρικά που όπως θα φανεί στην συνέχεια και στην ενότητα 2.3, διαφέρει από τη λειτουργία ενός κινητήρα ντίζελ. Αναφορικά, ο τριοδικός καταλύτης είναι μία πρότυπη και ώριμη τεχνολογία, καθιερωμένη ως το πιο επιτυχημένο σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων για κινητήρες εναύσεως με σπινθήρα. Τα υλικά που αποτελείται κυρίως η καταλυτική επίστρωση (washcoat) είναι από αλουμίνα (Al 2 O 3 ) εξαιτίας της υψηλής επιφάνειας και της άριστης αντίστασης που επιδεικνύουν στην θερμική γήρανση. Στοιχεία της σειράς δημητρίου (Ce) και ζιρκονίου (Zn) προσθέτονται στο washcoat με σκοπό να ενισχύσουν την χωρητικότητα σε οξυγόνο (Oxygen Storage Capability OSC). Αυτού του είδους τα στοιχεία λειτουργούν ως ρυθμιστές, αποθηκεύοντας οξυγόνο κατά τη διάρκεια της φτωχής καύσης και εκλύοντας στην αντίθετη. Τα πολύτιμα μέταλλα που εναποτίθενται στην επιφάνεια του washcoat είναι συνδυασμός της πλατίνας (Pt), του παλλάδιου (Pd) και του ρόδιου (Rh). Τα πρώτα δυο είναι ενεργά στοιχεία για την οξείδωση των ρύπων CO και HC, ενώ το ρόδιο ευθύνεται κυρίως για τη μείωση των NO X στον καταλύτη. Από τη στιγμή που τα ενεργά μέταλλα εξυπηρετούν διαφορετικούς σκοπούς, είναι ενδιαφέρον ο διαχωρισμός τους στο εσωτερικό του καταλύτη μειώνοντας την αρνητική επίδραση μεταξύ τους. Η επίτευξη του διαχωρισμού συμβαίνει φυσικά σε δυο ή παραπάνω στρώματα. Συνήθως το Rh τοποθετείται στo επάνω στρώμα και είναι εκτεθειμένο σε όλα τα αντιδρώντα στοιχεία που ανάγουν τα NO X σε άζωτο, προτού τα καυσαέρια διαχυθούν στο εσωτερικό στρώμα που περιέχει Pt Pd, όπου και οξειδώνονται, [14]. Οι κύριες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε ένα τριοδικό καταλύτη και ταυτόχρονα συνεισφέρουν στην μετατροπή των βασικών ρύπων ενός βενζινοκινητήρα είναι : Αντιδράσεις Οξείδωσης Αντίδραση 1 Αντίδραση 2 ( ) Αντίδραση 3 Αντίδραση 4 ( ) ( ) Αντίδραση 5 Αντίδραση 6

24 23 Steam reforming Αντίδραση 7 Water-gas shift Οξείδωση της αιθάλης Αντίδραση 8 Αντίδραση 9 Αντίδραση 10 Με σκοπό την ταυτόχρονη συμπεριφορά και των τριών ρύπων από τον τριοδικό καταλύτη, ο κινητήρας επιβάλλεται να λειτουργεί στοιχειομετρικά. Σε αυτή τη περίπτωση συνυπάρχουν ταυτόχρονα αρκετά στοιχεία για την μείωση των NO X και αρκετά μόρια του οξυγόνου για την οξείδωση των HC και CO. Από τη στιγμή που ένας στοιχειομετρικός λόγος αέρα καυσίμου δεν είναι επιτεύξιμος συνεχώς, ο καταλύτης πρέπει να είναι σε θέση να ανάγει τα ΝΟ σε κατάσταση ελαφρώς φτωχού μίγματος και να αποβάλλει τα CO και HC όταν παρατηρείται ελάχιστη έλλειψη σε οξυγόνο. Οι αντιδράσεις «Water Gas Shift» και «Steam Reforming» προσφέρουν την δυνατότητα να καταναλώσουν CO και HC αντίστοιχα, προσφέροντας εναλλακτικούς τρόπους αντίδρασης των ρύπων. Στην εικόνα 2.6 φαίνεται η απόδοση στην μετατροπή των ρύπων CO, HC και NO Χ ως συναρτήσει του λόγου αέρα καυσίμου. Είναι εμφανές στην εικόνα το μικρό εύρος του λόγου αέρα καυσίμου, μεταξύ 14,5 και 14,6 στο οποίο επιτυγχάνεται η υψηλή απόδοση [14]. εικόνα 2.6. Απόδοση της μετατροπής των ρύπων CO, HC, NOX συναρτήσει του λόγου αέρα καυσίμου σε ένα καταλυτικό μετατροπέα, [ 14]. Αποκτώντας πλέον τις βασικές γνώσεις για τη λειτουργία ενός τριοδικού καταλύτη, η κατανόηση της λειτουργίας ενός καταλυτικού φίλτρου είναι ευκολότερη καθώς συνδυάζει τις

25 24 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ επιδράσεις της τριοδικής καταλυτικής επίστρωσης μαζί με τα ευγενή μέταλλα (Pt/Pd/Rh) και το φιλτράρισμα της αιθάλης, από τον κινητήρα GDI, μαζί με την οξείδωσή της, μηχανισμός αναγέννησης Σχεδιαστικοί παράμετροι καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων (GPF). Προκειμένου να σχεδιαστεί το βέλτιστο καταλυτικό φίλτρο για έναν κινητήρα GDI, θα πρέπει να ακολουθηθούν ορισμένα βήματα για την επίτευξη του στόχου. Πρώτον και κύριων, πρέπει να καθοριστούν οι συνθήκες λειτουργίας του καταλυτικού φίλτρου (GPF) οι οποίες διαφέρουν από την συμβατική παγίδα αιθάλης, DPF. Οι εγγενείς διαφορές μεταξύ των δύο συσκευών εξαρτώνται κυρίως από τον διαφορετικό τρόπο λειτουργίας του κινητήρα GDI από έναν συμβατικό κινητήρα diesel, διότι ο πρώτος λειτουργεί σχεδόν στοιχειομετρικά ενώ ο δεύτερος λειτουργεί με περίσσεια αναλογία αέρα στο θάλαμο καύσης. Παρόλο που κατασκευαστικά ομοιάζουν σε μεγάλο βαθμό, οι συνθήκες λειτουργίας που εκτίθενται τις κατατάσσουν σε διαφορετικές κατηγορίες. Για την καλύτερη κατανόηση, σε αυτό το σημείο συνοψίζονται οι βασικές διαφορές των συνθηκών λειτουργίας των κινητήρων καθώς και αποσπασματικά διαγράμματα από έρευνα που διεξήχθη για το συγκεκριμένο θέμα [8]. Στον πίνακα 2.1, παρουσιάζονται οι διαφορές στα καυσαέρια ανάμεσα σε ένα κινητήρα απευθείας έγχυσης και ένα κινητήρα ντίζελ όπως μελετήθηκαν σε νομοθετημένο κύκλο οδήγησης (New European Driving Cycle NEDC). Τα δεδομένα των συγκεντρώσεων του οξυγόνου (O 2 ) και της θερμοκρασίας του καυσαερίου παρατίθενται στην εικόνα 2.7. Υπό κανονικές συνθήκες ένας κινητήρας GDI εκπέμπει μικρότερο αριθμό και μάζα σωματιδίων από έναν αντίστοιχο ντίζελ. Επιπλέον, η θερμοκρασία του καυσαερίου στην έξοδο του κινητήρα είναι υψηλότερη ενώ η συγκέντρωση του οξυγόνου χαμηλότερη για έναν GDI. πίνακα 2.1. Καίριες διαφορές μεταξύ ενός κινητήρα GDI και ενός diesel κάτω από τις συνθήκες ενός νομοθετημένου κύκλου οδήγησης NEDC. GDI κινητήρας Diesel κινητήρας PM amount Low 1-10*10 12 (#/km) 2-5 (mg/km) High *10 12 (#/km) (mg/km) Engine Out temperature High Max. 700 ( O C) Low Max. 400 ( O C) (* ) κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης με παύση παροχής καύσιμου ( fuel cut). gas O 2 Concentration Low 0-(20) * % High % Δεδομένου ότι οι βενζινοκινητήρες επιδεικνύουν πολύ δυναμική εναλλαγή μεταξύ υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας σε σύγκριση με έναν κινητήρα ντίζελ, η απόδοση σε θερμική 1 Ο μηχανισμός της αναγέννησης, αφορά στην οξείδωση της αιθάλης μέσα στο φίλτρο και θα διερευνηθεί στο πέμπτο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας.

26 25 καταπόνηση χρήζει σημείο προσοχής για ένα καταλυτικό φίλτρο. Επομένως, η πρώτη ανάγκη που προκύπτει είναι η θερμική αντοχή. Ο λόγος αφορά τον κορδιερίτη, ο οποίος επιλέχθηκε ως το αρμόδιο υλικό για την εφαρμογή σε καταλυτικό φίλτρο εξαιτίας των χαμηλών συντελεστών θερμικής διαστολής (CTE) και της ανώτερης αντοχής του σε θερμικό σοκ αντίθετα με τα καρβίδια του πυριτίου (SiC) καθώς επίσης και με το τιτανικό αλουμίνιο (Al 2 TiO 5 ), το οποίο δημιουργεί την ανησυχία ότι μπορεί να αποσυντεθεί σε υψηλές θερμοκρασίες αναγωγικής ατμόσφαιρας. Το αποτέλεσμα αυτής της επιλογής πρόσφερε χαμηλή πτώση πίεσης και παράλληλα υψηλή εναπόθεση (filtration), [15]. Στον πίνακα 2.2 παρουσιάζονται οι τρεις βασικοί στόχοι σχεδιασμού για το GPF και για το DPF αντίστοιχα, σύμφωνα με τις συνθήκες των κινητήρων. Όπως προκύπτει, στο καταλυτικό φίλτρο είναι λιγότερο πιθανό να σχηματιστεί στρώμα αιθάλης, το οποίο και επιφέρει χαμηλό βαθμό εναπόθεσης. Επίσης, οι υψηλές τιμές τις θερμοκρασίας στην έξοδο του κινητήρα συνεπάγονται σε υψηλές τιμές της ροής του καυσαερίου επιβαρύνοντας το σύστημα του κινητήρα από την πτώση πίεσης στο φίλτρο. εικόνα 2.7. Διαφορά στις συγκεντρώσεις του οξυγόνου και της θερμοκρασίας του αερίου ανάμεσα στους δύο τύπους κινητήρων GDI και diesel υπό τις συνθήκες του νομοθετημένου κύκλου οδήγησης για την Ευρώπη, [ 8].

27 26 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ πίνακα 2.2. Επίπτωση GPF και DPF. Απόδοση εναπόθεσης (filtration efficiency) Πτώση Πίεσης Παθητική Αναγέννηση* GPF Μικρό ΡΜ στα απαγόμενα καυσαέρια - Δεν σχηματίζεται στοιβάδα - Χαμηλός βαθμός εναπόθεσης (filtration) Υψηλή τιμή ροής (υψηλή θερμοκρασία και ταχύτητα κινητήρα) - Υψηλή πτώση πίεσης Υψηλή θερμοκρασία Χαμηλές συγκεντρώσεις Ο 2 (κανονικές συνθήκες) - Παθητική αναγέννηση αναμένεται σε παύση παροχής καυσίμου (* ) Το αντικείμενο θα διερευνηθεί στο κεφάλαιο π έμπτο. DPF Μεγάλο ΡΜ στα απαγόμενα καυσαέρια - Σχηματίζεται στοιβάδα - Υψηλός βαθμός εναπόθεσης (filtration) Χαμηλή τιμή ροής (χαμηλή θερμοκρασία και ταχύτητα κινητήρα) - Χαμηλή πτώση πίεσης Χαμηλή θερμοκρασία - Ενεργητική αναγέννηση καθίσταται απαραίτητη Σύμφωνα με τα παραπάνω, οι στόχοι ανάπτυξης με γνώμονα την μείωση της πτώσης πίεσης είναι διαφορετικοί για τις δύο συσκευές. Συγκεκριμένα, για τη παγίδα αιθάλης η πτώση πίεσης πρέπει να βελτιστοποιηθεί για ένα συγκεκριμένο αριθμό συσσωρευμένης μάζας σωματιδίων. Αντίθετα, για ένα καταλυτικό φίλτρο η βελτιστοποίηση επικεντρώνεται κυρίως στο αρχικό φίλτρο χωρίς καμία εναπόθεση. Παράλληλα, άλλη μια πλευρά του προβλήματος της πτώσης της πίεσης είναι η υψηλή θερμοκρασία καυσαερίου, η οποία με την ενδεχόμενη αύξηση της ταχύτητα του κινητήρα προκαλεί μεγάλη ογκομετρική τιμή της ροής και αντίστοιχα αύξηση στην πτώση πίεσης. Στο κομμάτι της οξείδωσης της αιθάλης, η αναγέννηση δεσμεύεται από τις υψηλές τιμές τις θερμοκρασίας στα καυσαέρια και τις χαμηλές τιμές του οξυγόνου, λόγω της στοιχειομετρικής λειτουργίας του κινητήρα GDI. Επομένως μια παθητική αναγέννηση είναι αναμενόμενη μόνο κατά τη διάρκεια της παύσης παροχής καυσίμου, όπου η συγκέντρωση οξυγόνου μπορεί να αγγίξει και το 20%, ευνοώντας τις συνθήκες οξείδωσης της αιθάλης μέσα στο φίλτρο. Ο συνδυασμός των ανωτέρων, δηλαδή η υψηλή συγκέντρωση Ο 2 και θερμοκρασία, μπορεί να οδηγήσει σε οξείδωση της αιθάλης [8]. Όσον αφορά την πτώση πίεσης στο φίλτρο, σειρά από μελέτες έδειξαν ότι ένας απλός και αποτελεσματικός τρόπος για να επιτευχθεί χαμηλότερη πτώση πίεσης είναι η αύξηση της διατομής του καταλυτικού φίλτρου διατηρώντας το μήκος του σταθερό. Το συμπέρασμα προέκυψε από την σχέση μεταξύ του λόγου μήκους διαμέτρου (length/diameter) και της επίδρασης στην αντίθλιψη (pressure drop), για σταθερό όγκο καταλυτικού φίλτρου, η οποία προέκυψε ότι είναι γραμμική και ανάλογη. Ο εν λόγω ισχυρισμός απεικονίζεται στην εικόνα 2.8 και είναι κατανοητό ότι μία αλλαγή του λόγου από 1,1 σε 0,6 οδηγεί σε μείωση της πτώσης πίεσης κατά 52%. Επί προσθέτως, η πτώση πίεσης στο σύστημα μπορεί να ελαττωθεί αισθητά

28 27 με την απομάκρυνση του φίλτρου μακριά από τον κινητήρα. Συγκεκριμένα, μετακινώντας το φίλτρο από τη θέση κοντά στο κινητήρα (Close Coupled CC) σε θέση μακριά από τον κινητήρα και ειδικότερα σε υποδαπέδια θέση του οχήματος (Under Floor UF), παρατηρείται αισθητή μείωση της αντίθλιψης. Στη θέση του πατώματος, εξαιτίας της απόστασης τα καυσαέρια απολύουν ορισμένη θερμότητα προς το περιβάλλον με αποτέλεσμα η θερμοκρασία καθώς επίσης και η ροή του αερίου να μειώνονται, με αντίκτυπο στην περαιτέρω μείωση της πτώση πίεσης. Τέτοιου είδους μετακίνηση παρουσίασε βελτίωση της πτώσης πίεσης κατά 25% από την τοποθέτηση του φίλτρου κοντά στον κινητήρα, [8]. Κατά συνέπεια, η τοποθέτηση του φίλτρου στη διάταξη του συστήματος παίζει σημαντικό ρόλο και επηρεάζει αντίστοιχα το σύστημα του κινητήρα. εικόνα 2.8. Αποτελέσματα από κομμάτι έρευνας πάνω στην επίδραση του λόγου μήκους διαμέτρου στην πτώση πίεσης για σταθερό όγκο καταλύτη και ίσο με 1,4 λίτρα. Η γεωμετρικοί παράμετροι του καταλυτικού φίλτρου ήταν 5mil/360cpsi, [ 10]. Επίσης, η επιλογή της πυκνότητας των κελιών και η επιλογή του πάχους υποστρώματος σε ένα GPF είναι απαραίτητες παράμετροι για τη μείωση της πτώσης πίεσης. Μία τέτοια σκέψη ως προς τη βελτίωση της δομής είναι η επιλογή λεπτότερου πάχους τοιχώματος και μικρότερης πυκνότητας κελιών, ανάλογα φυσικά με την εφαρμογή του καταλυτικού φίλτρου στο σύστημα. Η εφαρμογή του καταλυτικού φίλτρου, μέχρι προσφάτως, είναι συνδεδεμένη ως πρόσθετη συσκευή στο πίσω μέρος ενός τριοδικού καταλύτη και ανάλογα το σχεδιασμό, φέρει καταλυτικές ουσίες ή όχι. Επομένως, στην περίπτωση της εφαρμογής του φίλτρου χωρίς ενεργά μέταλλα, ο σχεδιασμός του καθορίζεται από χαμηλή πυκνότητα κελιών, μικρό πάχος τοιχώματος και κανονικές τιμές πορώδους. Ενώ στην περίπτωση που εμπεριέχονται καταλυτικές ουσίες στο εσωτερικό του GPF, ο σχεδιασμός στο πορώδους πρέπει να αλλάξει και να εφαρμοστεί μεγαλύτερη τιμή, >60%, διότι η εναπόθεση των ενεργών ουσιών μειώνουν την διαθέσιμη επιφάνεια που περνούν τα αέρια. Στην εικόνα 2.9, παρουσιάζονται οι τρείς γεωμετρικοί παράγοντες που επηρεάζουν την πτώση πίεσης στο φίλτρο αναλόγως. Ευδιάκριτο από την εικόνα 2.9 είναι ότι η πυκνότητα των κελιών είναι αντιστρόφως ανάλογη με την πτώση

29 28 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ πίεσης και από τη στιγμή που οι κινητήρες GDI δεν εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες αιθάλης, οι χαμηλές πυκνότητες κελιών είναι προτιμότερες για εφαρμογή πρόσθετης συσκευής GPF. Από την άλλη, η επιθυμητή τιμή στην πτώση πίεσης μπορεί να επιτευχθεί και από τη μείωση του πάχους τοιχώματος, η οποία εξάρτηση είναι επίσης αντιστρόφως ανάλογη. Ωστόσο, η εφαρμογή οριακών τιμών για το πάχος του τοιχώματος οδηγεί σε μείωση της ανθεκτικότητας του φίλτρου και ταυτόχρονα αγγίζει τα όρια του κατασκευαστικού τομέα για τη δημιουργία τέτοιου είδους φίλτρου. Επομένως, ο συμβιβασμός με τους περιορισμούς της βιομηχανίας οδηγεί στον σχεδιασμό φίλτρων με μικρή πυκνότητα κελιών, με μέτριο πάχος τοιχώματος και σχετικά υψηλό αριθμό πορώδους, εικόνα 2.10, [10]. Στο διάγραμμα περιγράφεται με απλά βήματα η διαδρομή των επιλογών που οδήγησαν στην τελική γεωμετρική δομή του GPF το οποίο πρέπει να πληρεί όλους τους σχεδιαστικούς στόχους. εικόνα 2.9. Επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων του φίλτρου όπως η πυκνότητα των κελιών και το πάχος τοιχώματος και το πορώδες του υλικού στην επίδραση της πτώσης πίεσης, όπως παρουσιάστηκε από έρευνα στο συγκεκριμένο τομέα (Vehicl e test data at 1000 m 3 /h, VGPF=1.4l, Lines : Model ing resul ts, Reference: GPF 300/13 with 50% porosity ). [ 19] εικόνα Σχετικό διάγραμμα με την επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων στην πτώση πίεσης και στην ανθεκτικότητα του καταλυτικού φίλτρου σε εφαρμογή ως συμπληρωματικός καταλύτης.(source: NGK, «The potential of advanced GPF concepts for l ow pressure drop and l ow CO2 emission»)

30 29 Στην εικόνα 2.11, παρατίθεται η σύγκριση μεταξύ δυο διαφορετικών καταλυτικών φίλτρων, που αναφέρονται επίσης στην εικόνα 2.10, όσον αφορά το αντίκτυπο που παρουσιάζουν στο κομμάτι της πτώσης πίεσης. Συγκεκριμένα, η μείωση του πάχους τοιχώματος επιφέρει μικρή επίπτωση για ορισμένες ροές, ενώ όταν πρόκειται για απαιτητικές συνθήκες του κινητήρα, η επίπτωσή του μειώνεται ακόμη παραπάνω. εικόνα Στο διάγραμμα (δεξιά) είναι εμφανές ό τι το νέο καταλυτικό φίλτρο με γεωμετρία 5mil /220cpsi υπερτερεί στην μείωση της πτώσης πίεσης. Ταυτόχρονα, στο διάγραμμα (αριστερά) με τη συνάρτηση της ταχύτητας της μηχανής σημειώνει 24% μείωση στο αντίστοιχο κομμάτι. (Source: NGK, «The potential of advanced GPF concepts for l ow pressure drop and l ow CO2 emission») Επέκταση των προηγουμένων αποτελεί και η επίπτωση της ποσότητας φόρτισης της καταλυτικής επίστρωσης στην αντίθλιψη του φίλτρου όπως απεικονίζεται στην εικόνα Πρόκειται για ένα καταλυτικό φίλτρο με διαστάσεις διαμέτρου μήκους, 118,4mm X 140mm, φόρτιση με ενεργά μέταλλα, PGM 40/0:12:1, αναλογία πλατίνας παλλαδίου ροδίου. Η φόρτιση με καταλυτική επίστρωση καθορίστηκε με τέτοιο τρόπο ώστε την πρώτη φορά να μεγιστοποιείται η συμπεριφορά των εκπομπών και τη δεύτερη να μεγιστοποιείται η επίπτωση της πτώσης πίεσης. Είναι σημαντικό το γεγονός ότι και τα δύο φίλτρα πληρούν τα όρια εκπομπών για το Euro 6 ανεξάρτητα με την ποσότητα της καταλυτικής επίστρωσης, καθώς φαίνεται ότι η διαφορά στις αθροιστικές εκπομπές είναι ελάχιστες, πλην τα οξείδια του αζώτου [12].

31 30 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα Σύγκριση μεταξύ διαφορετικών σχεδιαστικών στόχων στο καταλ υτικό φίλτρο από την επίδραση της ποσότητας της φόρτισης της καταλυτικής επίστρωσης ( washcoat). Και τα δύο φίλτρα πληρούν τα όρια εκπομπών του Euro 6. (Source: Dr. David Greenwel l, 2nd IQ PC Conference - Advanced Emission Control Concepts for Gasol ine Engin es, , Bonn) Στον πίνακα 2.3, συγκεντρώνονται οι γεωμετρικοί παράμετροι που αναλύθηκαν εκτενώς στο παρών κεφάλαιο, ανάλογα με τον σχεδιασμό της συσκευής ως «add on» ή ως αντικαταστάτης του τριοδικού καταλύτη στην έξοδο του κινητήρα. Είναι διακριτό ότι αναλόγως την διάταξη του φίλτρου κυμαίνεται και η γεωμετρία του, διότι στην περίπτωση που εφαρμοστεί ως μοναδικός καταλύτης στην έξοδο θα πρέπει να υποστηρίξει την απαραίτητη ποσότητα των καταλυτικών ουσιών στο εσωτερικό του τοιχώματος. πίνακα 2.3. Συγκεντρωτικός πίνακας με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του GPF αναλογικά με τον σχεδιασμό ως συσκευής «add on» ή ως αντικαταστάτης του τριοδικού καταλύτη. Πυκνότητα κελιών / Πάχος τοιχώματος «Add on» GPF 220cpsi/5mil, 360cpsi/5mil GPF GPF σε συνδυασμό με TWC 220cpsi/6mil, 300cpsi/10mil, 200cpsi/12mil, 300cpsi/12mil Υλικό Κορδιερίτης Κορδιερίτης Πορώδες 40 50% 50 65% Ποσότητα Καταλυτικών ουσιών Καθόλου / Μικρή ποσότητα Υψηλή

32 31 Συμπεράσματα Ως κατακλείδα αυτού του κεφαλαίου και πριν την μετάβαση στην πρώτη διερεύνηση της εργασίας, συνοψίζονται οι βασικές πληροφορίες που αφορούν το σύστημα της μετεπεξεργασίας καυσαερίων γενικότερα και το καταλυτικό φίλτρο ειδικότερα που οδηγούν στα εξής συμπεράσματα : Οι μηχανές εσωτερικής καύσης προβλέπεται να διατηρήσουν το μεγάλο μερίδιο της αγοράς στα συστήματα μετάδοσης κίνησης (powertrain) ακόμη και με το πέρας του Μερικοί από τους κινητήρες EU5 GDI θα δυσκολευτούν να εκπληρώσουν τα όρια εκπομπής για τα σωματίδια PN, του νέου Euro6. Η συνεχόμενη προσπάθεια για περεταίρω μείωση του CO 2 και των σωματιδίων PN δημιουργεί ένα ανταγωνιστικό περιβάλλον για τα οχήματα που χρησιμοποιούν κινητήρες απευθείας έγχυσης. Μακροπρόθεσμος στόχος των συστημάτων μετάδοσης κίνησης είναι διαρκής μείωση του διοξειδίου του άνθρακα CO 2. Νέες ιδέες πρότυπων συσκευών GPF για εφαρμογή σε κινητήρες GDI με χαμηλή αντίθλιψη έχουν αναπτυχθεί με σκοπό : - Να εκπληρώσουν τα όρια εκπομπών αριθμού σωματιδίων σε πραγματικές συνθήκες - Την ενοποίηση της λειτουργίας του φίλτρου και τριοδικού καταλύτη για επιπλέον μείωση των ρύπων. Από μηχανολογική σκοπιά θα πρέπει το νέο φίλτρο να επιδεικνύει αντοχή και διάρκεια σε - Θερμική και μηχανική καταπόνηση από τον κινητήρα στη διάρκεια ζωής του, επιλέγοντας κατάλληλα υλικά υποστρώματος όπως ο κορδιερίτης. Αναλόγως, το καταλυτικό φίλτρο θα πρέπει να έχει την ελάχιστη δυνατή συμβολή στο κομμάτι της πτώσης πίεσης. - Η κατάλληλη επιλογή των υλικών ανάλογα με την λειτουργία δίνει τη δυνατότητα να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση στο σύστημα, όπως χαμηλή πυκνότητα κελιών και μικρό πάχος τοιχώματος. Αντίστοιχα μέτρα πρέπει να ληφθούν για την εναπόθεση της αιθάλης από τη στιγμή που εκπέμπονται σωματίδια λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα - Βελτιστοποίηση του σχεδιασμού παθητικής αναγέννησης στο φίλτρο συναρτήσει των παραμέτρων όπως η θερμοκρασία του φίλτρου, λόγος αέρα καυσίμου και ειδικότερα η ποσότητα οξυγόνου στη διάρκεια fuel-cut.

33 32 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Κεφάλαιο 3 ο 3 Υπολογιστική διερεύνηση του Καταλυτικού Φίλτρου σε συνθήκες ψυχρής Εκκίνησης. 3.1 Φαινόμενα μεταφοράς και χημικές αντιδράσεις. Στο παρών κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας θα μελετηθεί η συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης και παράλληλα θα συγκριθεί με έναν αντίστοιχο τριοδικό καταλύτη. Οι συνθήκες και οι γεωμετρικές επιδράσεις που διερευνούνται σε ολόκληρο το κεφάλαιο είναι βασισμένες στο μεγαλύτερο κομμάτι τους σε ήδη υπάρχων έρευνα με το συγκεκριμένο θέμα, [16]. Ο όρος ψυχρή εκκίνηση αναφέρεται στην έκθεση του καταλύτη σε θερμό καυσαέριο από το κινητήρα, είτε μετά από ψύξη του σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είτε μετά από πολύωρη παύση λειτουργίας του. Παρόλο που οι νέοι κινητήρες κατορθώνουν να πιάσουν υψηλές θερμοκρασίες, εκατοντάδων βαθμών Κελσίου ( ο C) μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα με ποικίλες τεχνικές, η κατάσταση της ψυχρής εκκίνησης ευθύνεται για το μεγαλύτερο μέρος των συνολικών εκπομπών μονοξείδιου του άνθρακα (CO) και των υδρογονανθράκων (THC) στην διάρκεια της οδήγησης. Από τη στιγμή που ένα αυτοκίνητο κινείται στην πόλη, το % των ρύπων, που εκπέμπει σε όλη τη διαδρομή του, εκπέμπονται μέχρις ότου ο καταλύτης πιάσει τη θερμοκρασία λειτουργίας του, ζήτημα το οποίο επιδέχεται ιδιαίτερη ανάλυση και άξιο διερεύνησης. Επιπλέον, ο χαρακτηρισμός της δυναμικής εκκίνησης αναφέρεται στην ραγδαία αύξηση της θερμοκρασίας του καυσαερίου σε σχέση με τον χαρακτηριστικό χρόνο ενεργοποίησης του καταλύτη, ο οποίος επιτυγχάνεται όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους Ο C. Απαραίτητη προϋπόθεση για την αποδοτικότερη και σαφέστερη ερμηνεία των αποτελεσμάτων είναι η κατανόηση της λειτουργίας των δυο συσκευών. Από τη σκοπιά του μηχανικού, επομένως, υπάρχουν θεμελιώδης διαφορές μεταξύ των δύο συσκευών μετεπεξεργασίας καυσαερίων. Πιο συγκεκριμένα, η λειτουργία του τριοδικού καταλύτη βασίζεται στο φαινόμενο της διάχυσης για την μεταφορά των αντιδρώντων και προϊόντων μεταξύ της καταλυτικής ενεργής επίστρωσης και της αέριας φάσης. Αντιθέτως στο φίλτρο, τα αντιδρώντα εξαναγκάζονται να περάσουν μέσα από την καταλυτικό ενεργό τοίχωμα δια μέσου του φαινομένου της μετάδοσης θερμότητας. Στην εικόνα 3.1 παρατίθεται η γεωμετρία ενός φίλτρου, τα ονομαστικά μέρη του και η διεύθυνση της ροής. Έχει δειχθεί ότι ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η λειτουργία του φίλτρου σωματιδίων διακρίνεται σε δύο κατηγορίες : Σε σχετικά χαμηλούς ρυθμούς αντίδρασης και χαμηλές ταχύτητες της ροής, η μεταφορά μάζας στην ακτινική διεύθυνση κυριαρχείται πλήρως από τη διάχυση. Αυτό συνεπάγεται ότι η ακτινική κλίση των συγκεντρώσεων στην είσοδο και έξοδο των καναλιών και στο εσωτερικό του πορώδους του υλικού είναι αμελητέες. Η κύρια κλίση των συγκεντρώσεων

34 33 διέρχεται από την αξονική διεύθυνση, όπως ακριβώς και στην περίπτωση του τριοδικού καταλύτη. Στην περίπτωση που ο ρυθμός αντίδρασης είναι υψηλός, τα φαινόμενα μεταφοράς στην ακτινική διεύθυνση περιγράφονται από τη μετάδοση θερμότητας. Στην προκείμενη περίπτωση η αξονική κλίση των συγκεντρώσεων κατά μήκος των καναλιών γίνεται αμελητέα και η κύρια κλίση βρίσκεται στην ακτινική διεύθυνση δια μέσου του τοιχώματος του φίλτρου. Στις πιο σύνηθες συνθήκες λειτουργίας σχετικά με ένα σύστημα αυτοκινήτου - καταλύτη, το φίλτρο δουλεύει σε μια ενδιάμεση κατάσταση, όπου το φαινόμενο της διάχυσης και της μεταφοράς θερμότητας συνεισφέρουν από κοινού στην ακτινική μεταφορά. εικόνα 3.1. Τυπικό διάγραμμα τομής ενός φίλτρου καθώς επίσης και της διεύθυνσης της ροής. 3.2 Προετοιμασία καταλυτών και κινητικό μοντέλο προσομοίωσης Για την προετοιμασία των καταλυτών χρησιμοποιήθηκε υπόστρωμα κορδιερίτη με τετραγωνική διατομή καναλιών, τυπικές τιμές πυκνότητας κελιών όπως και πάχος τοιχώματος (φίλτρο: 300cpsi/12mil, μονόλιθος: 600cpsi/4,3mil). Με γνώμονα την ακριβή σύγκριση των καταλυτών, η φόρτιση με καταλυτική επίστρωση ήταν ίδια και ίση με 100 g/l (washcoat loading: 100g/l) όπως ίδια ήταν και η φόρτιση με πολύτιμα μέταλλα (PGM: Pd: 46g/ft 3, Rh: 4g/ft 3 ) για τις δυο συσκευές, πίνακα 3.1.

35 34 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ πίνακα 3.1. Δεδομένα της γεωμετρίας και της φόρτισης των δυο καταλυτών. Συσκευή GPF TWC Μήκος mm Διάμετρος mm Πυκνότητα Κελιών cpsi Πάχος Τοιχώματος mil 12 4,3 Πυκνότητα Υποστρώματος kg/m Φόρτιση Πολύτιμων Μετάλλων Φόρτιση Καταλυτικής Επίστρωσης g/ft g/l Το κινητικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την περιγραφή της οξείδωσης του μονοξειδίου του άνθρακα είναι ευρέως γνωστό και έχει προταθεί από τον Voltz και άλλους [13]. Το συγκεκριμένο μοντέλο είναι βασισμένο στην προσέγγιση LHHW (Langmuir Hinshelwood Hougen Watson) και λαμβάνει υπόψη την επίδραση παρεμπόδισης της προσρόφησης του μονοξειδίου του άνθρακα στο συνολικό ρυθμό αντίδρασης. Η τιμή της αντίδρασης υπολογίζεται από την εξίσωση 3.1, όπου ο παράγοντας χ i είναι το μοριακό κλάσμα του στοιχείου του αερίου i, το k CO είναι η σταθερά της οξείδωσης του μονοξειδίου και η k ads η σταθερά απορρόφησης του μονοξειδίου στην επιφάνεια του καταλύτη. εξίσωση 3.1 Η εξάρτηση των σταθερών της εξίσωσης με την θερμοκρασία, θεωρείται ότι προσεγγίζεται με τον τύπο του Arrhenius. Η υπόθεση που γίνεται σε αυτή τη φάση είναι ότι η καταλυτική επίστρωση του τριοδικού καταλύτη είναι πλήρως διασκορπισμένη στο εσωτερικό του πορώδους του τοιχώματος του καταλυτικού φίλτρου. Εξαιτίας του υψηλότερου όγκου του τοιχώματος συγκρινόμενο με τον όγκο της καταλυτικής επίστρωσης (washcoat) στο τριοδικό καταλύτη, η πυκνότητα της ενεργής επιφάνειας πρέπει να προσαρμοστεί κατάλληλα στο φίλτρο ώστε η σύγκριση να είναι αξιόπιστη. Επιπλέον, στον πίνακα 3.2 παρατίθενται οι τιμές των προ εκθετικών όρων για την οξείδωση και προσρόφηση του μονοξειδίου καθώς επίσης και οι τιμές των επιπέδων ενεργοποίησης αντίστοιχα, προκειμένου να πλαισιωθεί το φαινόμενο της αντίδρασης του CO ολοκληρωτικά από το μοντέλο προσομοίωσης. πίνακα 3.2. Κινητικές παράμετροι για την συγκεκριμένη καταλυτική επίστρωση, παρμένοι από έρευνα για συμβατικό μονόλιθο. Κινητικές Παράμετροι Α Ο, Οξείδωσης 1,2731x10 17 s -1 Ε Α, Οξείδωσης 52,72 kj/mol Α Ο, Απορρόφησης 3,7843x10 2 s -1 Ε Α, Απορρόφησης -12,67 kj/mol

36 Σύγκριση καταλυτικού φίλτρου σωματιδίων (GPF) με τριοδικό καταλύτη. Σε αυτό το κεφάλαιο μελετάται η απόδοση του καταλυτικού φίλτρου στην ψυχρή εκκίνηση στο υπολογιστικό περιβάλλον προσομοίωσης axitrap, με θερμοκρασιακά βήματα των 25 βαθμών κελσίου σε τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες ( O C). Αυτές οι προσομοιώσεις έχουν ως σκοπό, να αναπαράγουν την ψυχρή εκκίνηση ενός οχήματος σε εξιδανικευμένη μορφή με μοναδικό ρύπο στο καυσαέριο το μονοξείδιο του άνθρακα. Ο στόχος είναι να μελετηθεί η συμπεριφορά του φίλτρου σε οξειδωτικές συνθήκες και να συγκριθεί με έναν TWC. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν για τους δυο τύπους καταλυτών, τριοδικό καταλύτη και καταλυτικό φίλτρο, έλαβαν υπόψη την πανομοιότυπη ποσότητα washcoat, πολύτιμων μετάλλων (precious metal) και τη συνολική θερμική χωρητικότητα. Τα αποτελέσματα για τις τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες εισόδου παρουσιάζονται στην εικόνα 3.2. Η θερμοκρασία στην οποία ο μετατροπέας γίνεται 50% αποτελεσματικός, ορίζεται ως η θερμοκρασία ενεργοποίησης (light off). Η θερμοκρασία light-off είναι της τάξης των 220 Ο C για την οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα, κατά 70 με 100 βαθμούς χαμηλότερα από τις θερμοκρασίες προσομοίωσης στην παρούσα εργασία. Να σημειωθεί το γεγονός ότι οι παραπάνω αναφορικές θερμοκρασίες για το light off εξαρτώνται από τη σύσταση της καταλυτικής επίστρωσης. Σε όλες τις προσομοιώσεις ο συμβατικός τριοδικός καταλύτης παρουσιάζει ταχύτερη απόκριση στην ψυχρή εκκίνηση συγκριτικά με το καταλυτικό φίλτρο. Αυτή η καθυστέρηση του φίλτρου οδηγεί σε σημαντική αύξηση των αθροιστικών εκπομπών CO. Στον πίνακα 3.3 συνοψίζονται οι παρατηρημένες αθροιστικές εκπομπές CO (cumulative emission) του καταλυτικού φίλτρου σχετικά με τον τριοδικό καταλύτη. Στους 250 Ο C τα συγκεντρωτικά CO του καταλυτικού φίλτρου υπερβαίνουν τα αντίστοιχα του τριοδικού περίπου 74% (174%). Στους 325 Ο C το καταλυτικό φίλτρο ξεπερνά κατά τρεις φορές τις εκπομπές του μονόλιθου (330%). πίνακα 3.3. Σύγκριση των αθροιστικών εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα για τους δύο τύπους καταλυτών κατά τη διάρκεια των θερμοκρασιακών προσομοιώσεων λαμβάνοντας υπόψη ότι οι συγκεντρωτικές εκπομπές ισοδυναμούν με το 100 % για το μονόλιθο. Θερμοκρασία καυσαερίου στην είσοδο / Ο C Σχετικές Αθροιστικές εκπομπές CO / % Καταλυτικό φίλτρο

37 36 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ α) Τ in=250 O C β) Τ in=275 O C γ) Τ in=300 O C δ) Τ in=325 O C εικόνα 3.2. Σύγκριση της συμπεριφοράς στην ψυχρή εκκίνηση για ένα συμβατικό μονόλιθο και ένα καταλυτικό φίλτρο. Το μοριακό κλάσμα του CO στην έξοδο του καταλύτη σε σχέση με το χρόνο για τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες μεταξύ 250 Ο C και 325 Ο C (5300 ppm CO, 3100 ppm O 2, GHSV: h - 1 ).

38 37 Είναι εμφανής η υστέρηση του καταλυτικού φίλτρου σε σχέση με τον μονόλιθο και στις τέσσερις θερμοκρασίες εισόδου, η οποία υποδηλώνει μέχρι αυτό το σημείο την ανικανότητα να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις της ψυχρής εκκίνησης. Τα αίτια αυτής της καθυστέρησης θα παρουσιαστούν στη συνέχεια διεξοδικά. Στην εικόνα 3.3 συγκρίνεται το αξονικό προφίλ της θερμοκρασίας για τους δύο καταλύτες. Είναι ξεκάθαρη η ταχύτερη θέρμανση του τριοδικού καταλύτη στην είδοσο σε σχέση με το φίλτρο. Στο διάγραμμα επαληθεύεται η θεωρία της μετάδοσης θερμότητας για τις δυο συσκευές από το προφίλ της θερμοκρασίας του φίλτρου, διότι η ροή εξαναγκάζεται να περάσει μέσα από το τοίχωμα μετιδίδοντας θερμότητα σε μεγαλύτερο μήκος από ότι στον ανοιχτό μονόλιθο όπου η κλίση της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη καθώς η ροή περνάει μέσα από τα κανάλια. Η διαφορά όμως των 50 Ο C στο μονόλιθο συνεπάγεται σε ταχύτερη ενεργοποίηση των καταλυτικών αντιδράσεων για την οξείδωση των ρύπων, όπως έδειξαν τα αποτελέσματα στην εικόνα 3.2. α) ΤWC Τ in=275 O C β) GPF Τ in=275 O C εικόνα 3.3. Αξονικό θερμοκρασιακό προφίλ κατά μήκος του καναλιού και σύγκριση μεταξύ του τριοδικού καταλύτη ( α), καταλυτικού φίλτρου ( β) για τρία διαφορετικά στιγμιότυπα στο χρόνο (5000 ppm CO, 3000 ppm O 2, GHSV: h - 1, Τ ΙΝ: 275 Ο C).

39 38 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 3.4 Επίδραση της θερμικής μάζας. Για την μελέτη της επίδρασης της θερμικής μάζας στη ψυχρή εκκίνηση, χρειάστηκαν ορισμένες προσομοιώσεις όπου η θερμική χωρητικότητα του καταλυτικού φίλτρου κυμάνθηκε μεταξύ 80% και 115% από την αρχική χωρητικότητα, εικόνα 3.4. Όπως είναι φυσιολογικό, η θερμοχωρητικότητα επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του καταλύτη στη ψυχρή εκκίνηση διότι ο χρόνος που απαιτείται για να θερμανθεί ο καταλύτης μειώνεται με αποτέλεσμα η ενεργοποίηση των αντιδράσεων να επιταχύνεται. Ποσοτικά, μια μείωση της θερμική μάζας της τάξης του 20% μειώνει τις αθροιστικές εκπομπές του μονοξειδίου του άνθρακα κατά 16%. Αυτό συνεπάγεται ότι η μείωση της θερμικής μάζας του καταλύτη είναι μια ελπιδοφόρα κατεύθυνση για το μέλλον στην ανάπτυξη καταλυτικών φίλτρων με προηγμένη συμπεριφορά στην ψυχρή εκκίνηση. Πιθανές ενέργειες που θα μπορούσαν να μειώσουν την θερμοχωρητικότητα είναι η μείωση του πάχους των ταπών, ή μείωση του πάχους τοιχώματος ή και αύξηση του πορώδους του υλικού, δυνητικά σε συνδυασμό με την εφαρμογή ιδεατού υλικού από μεμβράνη [5-7]. Στην προκείμενη μελέτη, ο τριοδικός καταλύτης (μονόλιθος) και το καταλυτικό φίλτρο συγκρίθηκαν σύμφωνα με την ίδια θερμική μάζα, έτσι ώστε οι διαφορές των αποτελεσμάτων στη ψυχρή εκκίνηση να μην αποδοθούν στην επίδρασή της, θερμικής μάζας. Λόγω των κατασκευαστικών ανοχών κατά τη δημιουργία του υλικού, η πραγματική μάζα του φίλτρου είναι κατά 6% μεγαλύτερη από ότι ο μονόλιθος (μονόλιθος: 181g, φίλτρο: 192g). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας για τη θερμική μάζα που παρουσιάστηκαν στην εικόνα 3.4, μια διαφορά της τάξης του 6% συνεπάγεται σε αύξηση των αθροιστικών εκπομπών CO λίγο πάνω από το 5% που υπολογίστηκε. εικόνα 3.4. Επίδραση της θερμικής μάζας στην συμπεριφορά κατά τη ψυχρή εκκίνηση: Το μοριακό κλάσμα του CO σε σχέση με το χρόνο. Απόδοση του καταλυτικού φίλτρου στη διάρκεια της ψυχρής εκκίνησης με συστηματική αλλαγή της θερμικής μάζας της τάξης του 80% και 115% από τη αρχική τιμή ( 5000 ppm CO, 3000 ppm O 2, GHSV: h - 1, Τ ΙΝ: 275 Ο C).

40 Επίδραση της πυκνότητας των κελιών και της θερμικής μάζας των ταπών. Στην ενότητα 3.4 αναφέρθηκε ότι το καταλυτικό φίλτρο με πυκνότητα κελιών 300 cpsi συγκρίθηκε με έναν τριοδικό καταλύτη ο οποίος είχε μεγαλύτερη πυκνότητα κελιών, 600 cpsi. Ο αντικειμενικός λόγος που επιλέχθηκαν αυτές οι τιμές είναι η πτώση πίεσης μετά το φίλτρο, διότι δεν μπορούν να εφαρμοστούν οι τιμές ενός μονόλιθου σε ένα φίλτρο εξαιτίας των επιπτώσεων στο σύστημα του κινητήρα. Προσεγγίζοντας όσο το δυνατόν καλύτερα τις πραγματικές συνθήκες, η πυκνότητα των κελιών στον τριοδικό καταλύτη μειώθηκε από 600 σε 300 cpsi, εφόσον ήταν αδύνατο για το φίλτρο τέτοια μεταβολή, με σκοπό να διερευνηθεί ο εν λόγω παράγοντας. Συνεπαγόμενα, στις προσομοιώσεις που έγιναν στο υπολογιστικό περιβάλλον axiview για την ψυχρή εκκίνηση χρησιμοποιήθηκε τριοδικός καταλύτης με πυκνότητα κελιών 300 cpsi έναντι της αρχικής τιμής 600 cpsi. Απαραίτητη προϋπόθεση ήταν ολόκληρη η γεωμετρία του καταλύτη να αλλάξει. Με αυτό τον τρόπο τα πάχη των τοιχωμάτων εξισώθηκαν σε 304,8 μm (12 mil) για το μονόλιθο περιέχοντας το υπόστρωμα και την καταλυτική επίστρωση και 304,8 μm (12 mil) αντίστοιχα για το φίλτρο. Με γρήγορη σκέψη, μπορεί να κανείς να προβλέψει την μείωση της απόδοσης του τριοδικού καταλύτη σε σχέση με τις αναφορικές προδιαγραφές καθώς αυξάνεται η θερμική μάζα του με την μεγέθυνση της γεωμετρίας, από 109 μm πάχος τοιχώματος σε 305 μm. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων εμφανίζονται στην εικόνα 3.5 για δυο διαφορετικές θερμοκρασίες. Προφανώς, η μείωση της πυκνότητας των κελιών οδηγεί σε επιδείνωση της συμπεριφοράς του μονόλιθου στη ψυχρή εκκίνηση. Οι αθροιστικές εκπομπές του μονοξειδίου του άνθρακα που αναλογούν στα προφίλ των συγκεντρώσεων της εικόνα 3.5 παρουσιάζονται στον πίνακα 3.4. Σύμφωνα με τις αθροιστικές εκπομπές του πίνακα 3.4 μπορεί να υπολογιστεί η σχετική συνεισφορά της πυκνότητας των κελιών στην συνολική παρατηρούμενη διαφορά στην ψυχρή εκκίνηση με την εξίσωση 3.2. εξίσωση 3.2. Αυτό που παρατηρείται είναι ότι στους 275 Ο C η διαφορά των 19,9% στις αθροιστικές εκπομπές CO αποδίδεται στην επίδραση της πυκνότητας κελιών. Στους 400 Ο C η παράμετρος της γεωμετρίας επιδρά 18% της συνολικής διαφοράς μεταξύ του καταλυτικού φίλτρου και του μονόλιθου. Στο κομμάτι της επίδρασης από τις τάπες στο καταλυτικό φίλτρο, οι προσομοιώσεις που ολοκληρώθηκαν έδειξαν ότι η συνεισφορά τους στη θερμική μάζα του φίλτρου αγγίζει το 8%. Εξαιτίας των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στην είσοδο, τα πρώτα χιλιοστά του καναλιού στον τριοδικό καταλύτη θερμαίνονται αρκετά γρήγορα συμβάλλοντας στην καλύτερη συμπεριφορά της ψυχρής εκκίνησης. Για να εκτιμηθεί η αρνητική επίδραση των ταπών στη συμπεριφορά του φίλτρου που εξετάζεται, έγιναν ορισμένες προσομοιώσεις με

41 40 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ απειροελάχιστο πάχος ταπών. Σε αυτό το στάδιο, η θερμική χωρητικότητα του τοιχώματος του φίλτρου προσαρμόστηκε κατάλληλα με γνώμονα την σταθερή θερμική μάζα. Στην εικόνα 3.6 παρουσιάζεται η σύγκριση του αξονικού προφίλ της θερμοκρασίας για ένα φίλτρο με πάχος ταπών 4 mm και το ακριβές αντίγραφό του με σχεδόν μηδενικό πάχος ταπών. Συμπερασματικά, η θερμική μάζα των ταπών του φίλτρου ελαττώνει την θερμοκρασία τοιχώματος, η οποία συμβάλει στην ενεργοποίηση των πολύτιμων μετάλλων και των αντιδράσεων εσωτερικά του τοιχώματος, στην μπροστινή ζώνη. Πέραν της επίδρασης της θερμοκρασίας, στο κομμάτι της αντιρρύπανσης οι εκπομπές CO κατά τη διάρκεια της ψυχρής εκκίνησης παρουσιάζουν αισθητή μείωση. πίνακα 3.4. Αθροιστικές εκπομπές CO για το καταλυτικό φίλτρο και για το μονόλιθο σε δυο διαφορετικές πυκνότητες κελιών σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης. Αθροιστικές Συγκεντρώσεις Εκπομπών CO/10-5 [kg] 275 Ο C 400 Ο C Μονόλιθος (600 cpsi) 16,2 4,4 Μονόλιθος (300 cpsi) 20 6,7 GPF 35,3 16,6 Είναι αξιοσημείωτη η επίδραση αυτής της παραμέτρου στις εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα όπως φαίνεται στην εικόνα 3.5. Η σχετική επίδραση των ταπών στα αρχικά αποτελέσματα υπολογίστηκε με την βοήθεια της εξίσωση 3.2 και παρουσιάζεται στον πίνακα 3.5. Στους 275 O C η διαφορά της τάξης του 40% αποδίδεται στην επίδραση των ταπών, καθώς επίσης και στους 400 O C η ίδια επίδραση αριθμεί 34,3%. Ενώ αντίστοιχα, για την θερμοκρασία των 275 O C η επίπτωση της πυκνότητας των κελιών στον μονόλιθο είναι περίπου 15%, ενώ στους 400 O C η ίδια επίπτωση αριθμεί τη διαφορά του 18%. Συνοπτικά, στον πίνακα 3.5 και στην εικόνα 3.5 φαίνεται ότι ένα σημαντικό κομμάτι από τη διαφορά μεταξύ του τριοδικού καταλύτη και του καταλυτικού φίλτρου, που προσομοιώνονται σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης, οφείλεται στις γεωμετρικούς παραμέτρους των καταλυτών. Ωστόσο, είναι διακριτό από τα αποτελέσματα ότι η απόδοση του τριοδικού καταλύτη παραμένει καλύτερη από το ερευνώμενο φίλτρο ακόμη και στην σύγκριση με σχεδόν ίδιες παραμέτρους, δηλαδή ίδια πυκνότητα κελιών και ελάχιστο πάχος τοιχώματος των ταπών. Αυτή η εγγενής διαφορά συνεπάγεται στη διαφορετική μετάδοση θερμότητας, μεταφορά μάζας και αντιδράσεων που επικρατούν μέσα στις δυο διατάξεις.

42 41 πίνακα 3.5. Η σχετική συνεισφορά των διαφορετικών παραμέτρων στην συνολική διαφορά των αθροιστικών εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα ανάμεσα στο καταλυτικό φίλτρο και τον τριοδικό καταλύτη χρησιμοποιώντας την εξίσωση 3.2. Επίδραση Γεωμετρίας Σχετική συνεισφορά στην ολική διαφορά των αθροιστικών εκπομπών CO/% 275 O C 400 O C Πυκνότητα κελιών 19,9 18 Θερμική μάζα των ταπών 39,8 32,4 Φυσική διαφορά 40,2 49,5 α) Τ in=275 O C 39,8% 19,9% 40,2% β) Τ in=400 O C 32,4% 18% 49,5% εικόνα 3.5. Επίδραση της πυκνότητας των κελιών και της θερμικής μάζας από τις τάπες. Στην εικόνα φαίνεται το μοριακό κλάσμα του CO σε σχέση με το χρόνο για θερμοκρασία αερίου 275 Ο C (α) και 400 Ο C (β) (5000 ppm CO, 3000 ppm O 2, GHSV: h - 1 ). Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η διαφοροποίηση των γεωμετρικών παραμέτρων έχουν αισθητή παρουσία όπως απεικονίζεται και στα διαγράμματα. Παρόλα αυτό όμως ο μονόλιθος εξακολουθεί να συμπεριφέρεται καλύτερα στις συνθήκες της ψυχρής εκκίνησης και για τις δύο θερμοκρασίες αναφοράς, 275 και 400 Ο C. Τα διαγράμματα που θα ακολουθήσουν στη συνέχεια, παρουσιάζουν την έκθεση των καταλυτών στο αέριο μίγμα μονοξειδίου - οξυγόνου ως προς το μήκος του τοιχώματος και το προφίλ της θερμοκρασίας. Η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων είναι ξεκάθαρη και απεικονίζεται με την αύξηση της θερμοκρασίας

43 42 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ του φίλτρου στην είσοδο των καναλιών. Η αύξηση της θερμοκρασίας ενεργοποιεί τις καταλυτικές αντιδράσεις με αποτέλεσμα την μείωση των αθροιστικών συγκεντρώσεων του μονοξειδίου στην έξοδο. α) T in=275 O C β) Tin=400 O C εικόνα 3.6. Η επίδραση της θερμικής μάζας των ταπών του φίλτρου στο αξονικό προφίλ της θερμοκρασίας. Η προσομοίωση της θερμοκρασίας τοιχώματος για τον τριοδικό καταλύτη, το καταλυτικό φίλτρο και το καταλυ τικό φίλτρο με απειροελάχιστο πάχος ταπών παρουσιάζεται συναρτήσει του χρόνου, για δυο διαφορετικές θερμοκρασίες 275 Ο C (α) και 400 Ο C (β) (5000 ppm CO, 3000 ppm O 2, GHSV: h - 1 ). 3.6 Επίδραση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Η επίδραση της μεταφοράς θερμότητας απεικονίζεται στην εικόνα 3.7, η οποία συγκρίνει τα αξονικά προφίλ των θερμοκρασιών των δύο καταλυτών κατά τη διάρκεια της ψυχρής εκκίνησης για τον μονόλιθο με πυκνότητα κελιών 300 cpsi και για το καταλυτικό φίλτρο με απειροελάχιστο πάχος ταπών. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι, συγκρινόμενα με τον μονόλιθο, στο καταλυτικό φίλτρο η αύξηση της θερμοκρασίας είναι κατανεμημένη σε ευρύτερη ζώνη στην αξονική διεύθυνση με μικρότερο ακρότατο - μέγιστο της θερμοκρασίας στα εισαγωγικά κανάλια. Το αποτέλεσμα αυτό μπορεί να ερμηνευτεί από το γεγονός ότι, στο φίλτρο μόνο στα μισά κανάλια εισέρχεται η ροή του καυσαερίου, η οποία συνεισφέρει με τη σειρά της στη μεταφορά θερμότητας από την αέρια φάση στο τοίχωμα του φίλτρου. Για αυτό το λόγο (για ίση

44 43 θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα στο αέριο και στο τοίχωμα) η μεταφερόμενη μετάδοση θερμότητας ανά όγκο αντίδρασης στην περίπτωση του καταλυτικού φίλτρου είναι μόνο η μισή από ότι ο μονόλιθος. Προκειμένου να ληφθεί υπόψη αυτό το φαινόμενο, ολοκληρώθηκαν ορισμένες προσομοιώσεις για το καταλυτικό φίλτρο με τον συγκεκριμένο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας πολλαπλασιασμένο επί δύο (ax2). Ο ορισμός του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας παρατίθεται στην εξίσωση 3.3 όπου ο συντελεστής Nu είναι ο αριθμός Nusselt, ο όρος λ g είναι η αγωγιμότητα του αερίου και τέλος ο όρος d h είναι η υδραυλική διάμετρος των καναλιών. εξίσωση 3.3 Συνεπώς, επηρεάζοντας τον αναφερόμενο συντελεστή, το αξονικό προφίλ της θερμοκρασίας όντως προσεγγίζει με αμεσότητα το προφίλ του μονόλιθου. Από την μια μεριά, το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει ότι η μεταφορά θερμότητας ανά όγκο αντίδρασης είναι η μισή σε σχέση με το μονόλιθο. Από την άλλη μεριά, τα προκείμενα αποτελέσματα αφήνουν να εννοηθεί ότι για τον σκοπό μια ανάλυσης ευαισθησίας, η επίδραση του συντελεστή μεταφοράς μπορεί να εξαλειφθεί απλώς πολλαπλασιάζοντας τον επί δυο. Σε πραγματικές συνθήκες όμως ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας έχει τη δυνατότητα να αυξηθεί μέσω της μείωσης της υδραυλικής διαμέτρου, η οποία διάμετρος είναι συνάρτηση της πυκνότητας κελιών και του πάχους τοιχώματος. εξίσωση 3.4 Η επιρροή της μεταφοράς θερμότητας του αέριο στο αξονικό προφίλ της θερμοκρασίας απεικονίζεται στην εικόνα 3.7, εκθέτοντας τους καταλύτες σε καθαρό άζωτο. Η συγκεκριμένη επιλογή απομονώνει την επιρροή της οξείδωσης του μονοξειδίου στη μεταφορά θερμότητας στους καταλύτες και αποτυπώνει καλύτερα την επίδραση του συντελεστή και των γεωμετρικών παραγόντων.

45 44 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ t=5 sec εικόνα 3.7. Η επιρροή της μεταφοράς θερμ ότητας από το αέριο στο τοίχωμα στο αξονικό προφίλ της θερμοκρασίας. Στο διάγραμμα απεικονίζεται το προφίλ των θερμοκρασιών κατά τη θέρμανση των καταλυτών με καθαρό άζωτο για το στιγμιότυπο των 5 πρώτων δευτερολέπτων. (Ι) μονόλιθος με 300 cpsi, (III) φίλτρο, απειροελάχιστο πάχος ταπών, (Ι V) όμοιο με το (ΙΙΙ) αλλά ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας χ 2( Ν 2 : 100%, GSHV : h - 1, T in : 275 O C). Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις στις οποίες χρησιμοποιήθηκε απλό καυσαέριο με μοναδικό ρύπο το μονοξείδιο του άνθρακα με στόχο τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του καταλυτικού φίλτρου. Στην εικόνα 3.8 συγκρίνονται οι εκπομπές στην έξοδο των δύο καταλυτών, όπου για το καταλυτικό φίλτρο έχει εφαρμοστεί ο διπλασιασμός στο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και αρκετά μικρό πάχος ταπών. Οι αθροιστικές εκπομπές για αυτή την ενότητα προσομοιώσεων παρουσιάζονται στον πίνακα 3.6. Προφανώς, εξαλείφοντας τις διαφορές στην μεταφορά θερμότητας μέσω του διπλασιασμού του συντελεστή μεταφοράς μειώνονται και οι αθροιστικές εκπομπές σε μονοξείδιο του άνθρακα στο φίλτρο. Επίσης, είναι φανερό από τον πίνακα 3.6 ότι στους 275 Ο C, το 67% της εγγενής διαφοράς των αθροιστικών εκπομπών μονοξειδίου μεταξύ του και του μονόλιθου μπορεί να αποδοθεί στην επίδραση της μεταφοράς θερμότητας. Αντίστοιχα, στους 400 Ο C η ίδια επίδραση της μεταφοράς θερμότητας συνεισφέρει κατά 36% της συνολικής διαφοράς μεταξύ των δυο. πίνακα 3.6. Αθροιστικές εκπομπές CO σε μονάδες kg για τις εκάστοτε προσομοιώσεις που έγιναν υπολογισμένες από την εξίσωση 3.2. Διερεύνηση για τις μεμονωμένες επιδράσεις που εφαρμόστηκαν στους 275 O C και 400 O C. Αθροιστικές Εκπομπές CO/10-5 [kg] 275 Ο C 400 Ο C I Μονόλιθος, 300cpsi 20 6,65 II Ομοίως με Ι αλλά Deff x III Φίλτρο, 300 cpsi, απειροελάχιστο μήκος ταπών 27,6 12,7 IV Όμοια με ΙΙΙ αλλά a x ,4 V Όμοια με ΙΙΙ αλλά με Deff x ,1 9,9

46 45 α) T in=275 O C β) T in=400 O C εικόνα 3.8. Ανάλυση ευαισθησίας. Η επίδραση της μεταφοράς θερμότητας από το αέριο στο τοίχωμα κατά τη διάρκεια της ψυχρή ς εκκίνησης. Το μοριακό κλάσμα του μονοξειδίου του άνθρακα σε σχέση με το χρόνο στην έξοδο του καταλύτη για δυο διαφορετικές θερμοκρασίες, 275 Ο C και 400 Ο C. (Ι) μονόλιθος, 300 cpsi, (III) φίλτρο, με απειροελάχιστο πάχος ταπών, ( ΙV) όμοιο με (ΙΙΙ) αλλά ο συ ντελεστής μεταφοράς θερμότητας χ 2. ( 5000 ppm CO, 3000 ppm O 2, GHSV: h - 1 ). 3.7 Επίδραση του συντελεστή διάχυσης. Αναλύοντας την επιρροή της διάχυσης στην καταλυτική επίστρωση (washcoat) και στο τοίχωμα του φίλτρου, σειρά από στοχευόμενες προσομοιώσεις λάβανε χώρο, όπου ο συντελεστής διάχυσης (D eff ) στην καταλυτική επίστρωση και στο φίλτρο αυξήθηκε κατά 100 φορές. Ο τύπος που υπολογίζει τον συντελεστή διάχυσης στο πρόγραμμα του axitrap περιγράφεται από τον ην εξίσωση 3.5, όπου D w είναι ο συντελεστής διάχυσης, ε είναι το πορώδες του υλικού, τ το tortuosity, D mol η μοριακή διάχυση του στοιχείου και D knud η διάχυση του στοιχείου κατά Knudsen: ( ) εξίσωση 3.5 Με αυτό τον τρόπο εξετάζεται ο ισχυρισμός ότι οι ακτινικές κλίσεις των συγκεντρώσεων και στις δυο συσκευές εξαλείφονται τελείως. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων χωρίς αλλά

47 46 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ και με την επίδραση του συντελεστή διάχυσης παρατίθενται στην εικόνα 3.9. Οι αθροιστικές εκπομπές του CO, από την άλλη, παρουσιάζονται μαζί με τις συγκεντρώσεις της προηγούμενης έρευνας στον πίνακα 3.6. Προφανώς, η ψυχρή εκκίνηση στο μονόλιθο δεν έχει μεγάλη αλλαγή μετά την εφαρμογή του συντελεστή. Αντιθέτως, στο καταλυτικό φίλτρο παρατηρείται αξιοσημείωτη επιτάχυνση των αντιδράσεων εάν ο περιορισμός της εσωτερικής διάχυσης αφαιρεθεί. Όπως ήταν αναμενόμενο, η επίδραση του περιορισμού της εσωτερικής διάχυσης του τοιχώματος αυξάνεται με τη θερμοκρασία από τη στιγμή που ο χώρος αντίδρασης ελέγχεται κινητικά στις χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ υπάρχει σταδιακή μετάβαση σε μία ελεγχόμενη λειτουργία διάχυσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ακόμη, στους 400 Ο C ο περιορισμός της εσωτερικής διάχυσης αντιπροσωπεύει περίπου το μισό από την παρατηρούμενη διαφορά του καταλυτικού φίλτρου με ελάχιστο πάχος ταπών και του μονόλιθου με πυκνότητα κελιών 300 cpsi. Ο κύριος λόγος της αυξημένης σημασίας του περιορισμού της εσωτερικής διάχυσης στην περίπτωση του φίλτρου ροής τοιχώματος (GPF) μπορεί να φανεί στο μεγαλύτερο μήκος διάχυσης του τοιχώματος GPF σε σχέση με το λεπτό στρώμα του washcoat στο μονόλιθο. Επεκτείνοντας την έρευνα ένα βήμα παραπέρα, χρησιμοποιώντας το ίδιο σκεπτικό με την ενότητα 3.6 ότι στο φίλτρο μόνο κάθε δεύτερο κανάλι επιτρέπει τη ροή να εισέλθει, μπορεί να υποτεθεί κατά ανάλογο τρόπο (σε όμοιες διαφορές συγκεντρώσεων) η μεταφερόμενη μάζα ανά όγκο αντιδραστήρα θα είναι η μισή στο καταλυτικό φίλτρο σε σύγκριση με τον μονόλιθο. Είναι προφανές ότι εάν και οι τρείς φυσικές επιδράσεις συνδυαστούν, μεταφορά θερμότητας, εσωτερική διάχυση, εξωτερική μεταφορά μάζας, τότε οι συγκεντρώσεις για το μονοξείδιο του άνθρακα στην έξοδο του φίλτρου θα συμπέσουν με τις συγκεντρώσεις του μονόλιθου με την ίδια γεωμετρία που χρησιμοποιεί το φίλτρο, 300 cspi/12 mil. Τα αποτελέσματα της έρευνας υποδηλώνουν ότι ο συνδυασμός των φυσικών επιδράσεων πράγματι περιγράφουν την εγγενή διαφορά στη συμπεριφορά της ψυχρής εκκίνησης μεταξύ ενός καταλυτικού φίλτρου με απειροελάχιστο πάχος ταπών και ενός συμβατικού μονόλιθου με ίδια γεωμετρία. α) Τ in=275 O C

48 47 β) Τ in=400 O C εικόνα 3.9. Επίδραση των ορίων της διάχυση ς στο τοίχωμα για το φίλτρο και στη καταλυτική επίστρωση για το μονόλιθο. Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η συγκέντρωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε σχέση με το χρόνο για δυο διαφορετικές θερμοκρασίες 275 Ο C και 400 Ο C. (Ι) μονόλιθος με 300cpsi, (ΙΙ) όμοια με (Ι) αλλά D ef f x 100, (III) φίλτρο, με απειροελάχιστο πάχος ταπών, (V) όμοια με (ΙΙΙ) αλλά D ef f x 100 (5000 ppm CO, 3000 ppm O 2, GHSV: h - 1 ). Συμπεράσματα Ολοκληρώνοντας το παρόν κεφάλαιο, γίνεται μια ανασκόπηση του κεφαλαίου με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της διερεύνησης και των αποτελεσμάτων. Αναφορικά λοιπόν, εξετάστηκε η συμπεριφορά ενός φίλτρου ροής τοιχώματος σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης και η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων. Το φίλτρο εμπεριείχε εσωτερικά του την λειτουργία του τριοδικού καταλύτη με την εναπόθεση καταλυτικών ουσιών. Εξαιτίας της εναπόθεσης ήταν σκόπιμο να συγκριθεί με έναν αντίστοιχο μονόλιθο στις ίδιες συνθήκες. Οι συνθήκες της ψυχρής εκκίνησης καθώς και οι καταλύτες προσομοιώθηκαν στο υπολογιστικό πρόγραμμα axitrap. - Πρώτο βήμα ήταν οι απλή σύγκριση στη συμπεριφορά των αρχικών καταλυτών σε θερμοκρασιακά βήματα. Ο τριοδικός καταλύτης είναι σε όλες τις θερμοκρασίες ταχύτερος στην αντίδραση του CO εξαιτίας της μικρότερης θερμικής μάζας σε ίσο όγκο καταλύτη. - Για την επίπτωση της θερμικής μάζας, προσομοιώσεις ολοκληρώθηκαν με μεταβαλλόμενη θερμική μάζα του φίλτρου από %. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η θερμική μάζα παίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση του καταλύτη στη ψυχρή εκκίνηση με αιχμές για το μέλλον. - Πρακτική εφαρμογή των προηγουμένων ήταν η μείωση του πάχους των ταπών στο φίλτρο, μετά τη διαπίστωση της επίπτωσης της θερμικής μάζας. Παράλληλα, η γεωμετρία της πυκνότητας των κελιών για τον μονόλιθο διαμορφώθηκε έτσι ώστε να είναι ίσο με το φίλτρο. Εάν και η μείωση του πάχος των ταπών στο φίλτρο επέφερε μείωση στις συγκεντρώσεις, ακόμη δεν προσέγγισε την απόδοση του νέου μονόλιθου. Ο

49 48 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ λόγος για την διαφορά των συσκευών οφειλόταν ως ένα κομμάτι στην επίδραση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. - Πολλαπλασιάζοντας τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας επί δυο στο φίλτρο, θεωρητικά εξαλείφεται η διαφορά της μετάδοσης θερμότητας από το αέριο στο τοίχωμα. Ακόμη δεν κατάφερε το καταλυτικό φίλτρο να αγγίξει την απόδοση του μονόλιθου στην οξείδωση του CO. Τα αίτια της υστέρησης στο φίλτρο κρύβονται στην διάχυση του αερίου στο τοίχωμα. - Ακολουθώντας την ίδια τακτική, πολλαπλασιάζοντας τον συντελεστή διάχυσης επί εκατό, στην ουσία εξαλείφθηκαν εντελώς οι ακτινικές κλίσεις στο εσωτερικό του τοιχώματος και της καταλυτικής επίστρωσης. Η επίδραση του συντελεστή ήταν μεγάλη για το φίλτρο, λόγο του μεγαλύτερου μήκος διάχυσης σε σχέση με το λεπτό στρώμα του μονόλιθου. - Συμπερασματικά, μέσω των αποτελεσμάτων από τις προσομοιώσεις αποδείχθηκαν για ακόμη μια φορά τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν τις δυο συσκευές και είναι συναρτήσεις της γεωμετρίας των συσκευών. Πρακτικά όμως, το φίλτρο ροής τοιχώματος είναι κατώτερο του μονόλιθου σε συνθήκες ψυχρής εκκίνησης όπως αποδείχθηκε, αφήνοντας πολλά περιθώρια για βελτίωση στο μέλλον. Επακόλουθο της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του καταλυτικού φίλτρου σε ολοκληρωμένες συνθήκες λειτουργίας όπως ορίζουν οι νομοθετημένοι κύκλοι οδήγησης. Το θέμα που θα αναλυθεί είναι η επίδραση της στοχευόμενης εναπόθεσης των ενεργών καταλυτικών μετάλλων στο εσωτερικό του καταλύτη και η δυνατότητα εφαρμογής του καταλυτικού φίλτρου ως μοναδική συσκευή στο σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων του αυτοκινήτου.

50 49 Κεφάλαιο 4 ο 4 Υπολογιστική διερεύνηση καταλυτικών φίλτρων με «zoning». 4.1 Φαινόμενα μεταφοράς και χημικές αντιδράσεις σε καταλυτικά φίλτρα με «zoning». Στο προκείμενο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η διερεύνηση έξι διαφορετικών φίλτρων με διαφορά στον όγκο και στη ποσότητα washcoat. Η σύγκριση των δειγμάτων έχει ως σκοπό να εξετάσει την επίδραση του zoning στο φίλτρο και την απόδοσή του στο ενδεχόμενο να είναι η μοναδική συσκευή στην έξοδο. Προκειμένου να διερευνηθεί η δυνατότητα η συσκευή να σταθεί μόνη της σε ένα σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων, οι συνθήκες εισόδου που εκτίθενται τα δείγματα είναι ο νομοθετημένος κύκλος οδήγησης που παρατίθεται παρακάτω. Η σύγχρονη τάση στον τομέα της μετεπεξεργασίας καυσαερίων ονομάζεται «zoning» και είναι ένα ευέλικτο εργαλείο για επικερδή έλεγχο βελτιστοποίησης εκπομπών. Η τεχνολογία «zoning» αναφέρεται στην μη-ομοιόμορφη εναπόθεση των πολύτιμων μετάλλων και της καταλυτικής επίστρωσης μέσα στο καταλύτη, μια δυνατότητα της βιομηχανίας που δεν ήταν εφικτή παλαιότερα. Τα σημεία που εστιάζει η προκείμενη εργασία είναι η επίδραση της τεχνολογίας στην πτώση πίεσης, οι συγκεντρώσεις των ρύπων στην έξοδο του φίλτρου και οι αθροιστικές εκπομπές των ρύπων (CO, NO X, THC). Τα αναμενόμενα αποτελέσματα από την επικείμενη εφαρμογή zoning είναι η επιτάχυνση των αντιδράσεων σε συνθήκες light-off και ελαφρώς επιδείνωση της συμπεριφοράς στην μετατροπή των οξειδίων του αζώτου. Η εκτίμηση των αποτελεσμάτων είναι βασισμένη σε έρευνες που έδειξαν ότι η οξείδωση των αντιδρώντων συμβαίνει πρωτίστως στο μπροστινό μέρος του καταλύτη ενώ η μείωση των οξειδίων του αζώτου διακρίνεται σε όλο το μήκους του. Λαμβάνοντας υπόψη τα προηγούμενα, η φόρτωση του καταλύτη σε πλατίνα (Pt) ή παλλάδιο (Pd) μπορεί να μειωθεί αισθητά στο πίσω μέρος, καθώς επίσης να προσαρμοστεί και η καταλυτική επίστρωση με ρόδιο (Rh) το μοναδικό πολύτιμο μέταλλο στο πίσω μέρος. Οι πρώτες προσομοιώσεις θα παρουσιάσουν την επίδραση του λόγου μήκος διάμετρος στην απόδοση του καταλύτη και στην αντίθλιψη. Στη συνέχεια, το φαινόμενο που θα εξεταστεί είναι η τεχνολογία zoning για δυο δείγματα ίδιου καταλυτικού όγκου. Επακόλουθο του κεφαλαίου είναι η επίδραση της ποσότητας washcoat στη συμπεριφορά του φίλτρου, ενώ κλείνοντας τον κύκλο των προσομοιώσεων, καθώς και ο συνδυασμός της επίδρασης γεωμετρίας με zoning και fully coated φίλτρο (φίλτρο με εναπόθεση καταλυτικών ουσιών σε όλο το μήκος του ομοιόμορφα).

51 50 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 4.2 Προετοιμασία καταλυτικών φίλτρων Τα καταλυτικά φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν στην συγκεκριμένη ενότητα της διπλωματικής εργασίας, ήταν διαφορετικών μεγεθών, από άποψη διαστάσεων, καθώς και διαφορετική ποσότητας washcoat. Οι προσομοιώσεις ολοκληρώθηκαν στο υπολογιστικό περιβάλλον του axisuite, κάνοντας χρήση του προγράμματος axitrap. Στον πίνακα 4.2 παρουσιάζονται αναλυτικά οι γεωμετρικοί παράμετροι των έξι δειγμάτων. Τα δείγματα χωρίστηκαν σε τέσσερις κατηγορίες στις οποίες αναλύεται ξεχωριστά η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων. Σε όλα τα δείγματα που έγινε στοχευόμενη εναπόθεση χρησιμοποιήθηκε μόνο το μισό μέρος του καταλυτικού υποστρώματος, καθιστώντας το άλλο μισό ανενεργό. Σύμφωνα με την αναφορά του τρέχοντος κεφαλαίου, η πίσω ζώνη του καταλύτη που είναι ανενεργή αναμένεται να μην επηρεάσει την απόδοση του καταλύτη σημαντικά σε συνθήκες light-off. Ξεκάθαρο πρέπει να γίνει το γεγονός ότι ο διαχωρισμός των ζωνών έγινε αυθαίρετα, για την συγκεκριμένη έρευνα, χωρίς να υπονομεύεται ότι σε κάθε άλλη περίπτωση ο βέλτιστος διαχωρισμός των ζωνών θα είναι το 50% του μήκους. Στις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκε ως σενάριο εισόδου, ο νομοθετημένος κύκλος οδήγησης NEDC, από βενζινοκινητήρα, όπως ορίζεται στον πίνακα 4.1 και στην εικόνα 4.1. Οι νομοθετημένοι κύκλοι (μοντέλα εκπομπών) πρέπει να λάβουνε υπόψη τους διάφορους λόγους που επηρεάζουν τις εκπομπές των οχημάτων, παρόλο που ο τρόπος και τα χαρακτηριστικά με τα οποία το κάνουν μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Γι αυτό το λόγο, η συνηθέστερη προσέγγιση είναι βασισμένη στην αρχή που ισχυρίζεται ότι, ο μέσος συντελεστής εκπομπών συγκεκριμένου ρύπου από ένα καθορισμένο τύπο αυτοκινήτου διαφέρει σύμφωνα με την μέση ταχύτητα στη διάρκεια του ταξιδιού [11]. πίνακα 4.1. Κύρια χαρακτηριστικά του κύκλου οδήγησης NEDC. Πρόγραμμα Όνομα κύκλου Απόσταση (m) Διάρκεια (sec) Μέση Ταχύτητα (km/h) EU legislative cycles New European Driving Cycle (NEDC) ,6 Είναι διακριτό από την εικόνα 4.1 τα τέσσερα επαναληπτικά προφίλ ταχυτήτων για αστική οδήγηση καθώς και οδήγηση σε αυτοκινητόδρομο διάρκειας 6 λεπτών, στην οποία αναμένεται μικρή συνεισφορά στην πτώσης πίεσης από το καταλυτικό φίλτρο. Το συγκεκριμένο επαναληπτικό προφίλ αντιπροσωπεύει την πραγματικότητα σε μεγάλο βαθμό και ακόλουθα τις εκπομπές των αερίων. Ευρέως γνωστό στην κοινότητα των μηχανικών του τομέα της αντιρρύπανσης είναι η εξάρτηση της μετατροπής των οξειδίων του αζώτου από την χωρική ταχύτητα (space velocity) η οποία στο τελευταίο στάδιο του κύκλου αγγίζει πολύ υψηλές τιμές. Στην συνέχεια του κεφαλαίου ακολουθεί η πρώτη διερεύνηση σε καταλυτικά φίλτρα με στοχευόμενη εναπόθεση ενεργών μετάλλων εξετάζοντας και αναλύοντας με προσεκτική ακρίβεια τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων.

52 51 Highway driving 4 repeats of l ow speed urban cycl e εικόνα 4.1. Αναφορικό διάγραμμα με το προφίλ της ταχύτητας στον κύκλο οδήγησης. πίνακα 4.2. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά των καταλυτικών φίλτρων. Zoned GPF Fully coated GPF Συσκευή Sample 1 Sample 4 Sample 5 Sample 6 Sample 7 Sample 8 Μήκος [mm] Διάμετρος [mm] Πυκνότητα κελιών [cpsi] Πάχος υποστρώματος [mil] 8 8 Πορώδες [%] High High Φόρτιση ενεργών μετάλλων [g/ft 3 ] High Low Φόρτιση Washcoat [g/l] A 2 (εκτός του sample 4 : B g/l) B 4.3 Επίδραση του λόγου μήκος διάμετρος. Αρχικά, εξετάζονται τα δείγματα 1, 5 και 6 στα οποία ο λόγος μήκους διαμέτρου μεταβάλλεται. Ειδικότερα, όπως έγινε αντιληπτό από την ενότητα 2.3, αυτή η αλλαγή επιδρά στην πτώση πίεσης της παγίδας όπως φαίνεται και στην εικόνα 4.3. Επίσης, η φόρτιση των φίλτρων με washcoat και PGM είναι ίδια σε ποσότητα για τα τρία δείγματα αφήνοντας μηδαμινά περιθώρια στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων από την επίδραση της φόρτισης. Η αρχική ένδειξη που λαμβάνεται από τις προσομοιώσεις είναι η διαφορά της θερμοκρασίας στην έξοδο του καταλυτικού φίλτρου για τα τρία δείγματα εικόνα 4.2. Πρόκειται για το πρώτο μήνυμα των αποτελεσμάτων ότι συγκριτικά στους τρεις καταλύτες η πτώση πίεσης στο δείγμα 5 θα είναι μικρότερη. 2 Φόρτιση washcoat σε g/l. Η τιμή της φόρτισης θα θεωρηθεί Α, ενώ αντίστοιχα η φόρτιση Β είναι μικρότερη της Α (Α > Β).

53 52 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ πίνακα 4.3. Επίδραση του λόγου στο κομμάτι της πτώσης πίεσης αναφορικά μ ε το φίλτρο που έχει τη μεγαλύτερη τιμή. Sample 1 Sample 5 Sample 6 Λόγος μήκους - διαμέτρου 0,86 0,87 1,27 Πτώση Πίεσης -20% -34% 100% (20,7784 mbar) Ακολούθως, στην εικόνα 4.3 και στον πίνακα 4.3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πτώσης πίεσης από τις προσομοιώσεις. Τα αποτελέσματα συμβαδίζουν με την έρευνα που περιγράφτηκε στην ενότητα 2.3. Μάλιστα η μείωση του λόγου από 1,27 σε 0,87 επέφερε μείωση στη πτώση πίεσης κατά 34%. Η αιτία που το δείγμα 1 δεν είχε την ίδια τιμή με το δείγμα 5 είναι η διαφορετική διάμετρος, η οποία επηρεάζει τον παράγοντα της μετωπικής ανοιχτής επιφάνειας και της υδραυλική διαμέτρου που επιδρούν στον τομέα της αντίθλιψης. εικόνα 4.2. Το προφίλ της θερμοκρασίας των δειγμάτων σε σχέση με το χρόνο στ ο νομοθετημένο κύκλο οδήγησης. Στο διάγραμμα του προφίλ της θερμοκρασίας συναρτήσει του χρόνου, απεικονίζεται η υστέρηση του δείγματος 5 στα πρώτα λεπτά λειτουργίας του κινητήρα λόγω της μεγαλύτερης θερμικής μάζας του, η οποία συνεπάγεται σε καθυστερημένη θέρμανση του φίλτρου. Καθώς συνεχίζει ο κύκλος, η θερμοκρασία του ίδιου δείγματος προσεγγίζει τα προφίλ των άλλων δυο δειγμάτων (1 και 6) όπου και τελικά στο στάδιο της οδήγησης σε αυτοκινητόδρομο έχουν την ίδια θερμοκρασία.

54 53 20% 34% εικόνα 4.3. Στο διάγραμμα απεικονίζεται η πτώση πίεσης συγκριτικά. Καθώς ο λόγος μήκους διαμέτρου μειώνεται, αναλογικά και γραμμικά μειώνεται και η πτώση πίεσης. Στην εικόνα 4.3 παρουσιάζονται τα εκτιμώμενα αποτελέσματα των τριών δειγμάτων τα οποία επαληθεύουν την θεώρηση της επίδρασης του λόγου μήκους διαμέτρου. Σημείο προσοχής είναι η πτώση πίεσης στο χρονικό διάστημα της οδήγησης σε αυτοκινητόδρομο, όπου οι απαιτήσεις από τον οδηγό είναι υψηλές και σε κάθε περίπτωση η απόκριση του συστήματος που μελετάται θα πρέπει να είναι η μέγιστη δυνατή. Αναλυτικότερα, στο συγκεκριμένο σημείο υπάρχει απαίτηση για την ελάχιστη πτώση πίεσης επιδρώντας στο ελάχιστο στην απόδοση του κινητήρα και την κατανάλωση καυσίμου, αυξάνοντας ακόλουθα τις εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα. Στον τομέα των ρύπων, είναι πολύ έντονη η επιρροή του όγκου του καταλύτη καθώς η ποσότητα washcoat και PGM είναι μεγαλύτερη σε μάζα εφόσον διατηρείται σταθερή η φόρτιση σε μονάδες g/l. Γι αυτό το λόγο τα δείγματα 5 και 6 επιδεικνύουν καλύτερη συμπεριφορά στους τρεις κυρίαρχους ρύπους του βενζινοκινητήρα στο συνολικό κύκλο οδήγησης. Στην εικόνα 4.4 απεικονίζονται διαδοχικά οι αποδόσεις των δειγμάτων στο μονοξείδιο του άνθρακα. CO εικόνα 4.4. Αθροιστικές εκπ ομπές μονοξειδίου του άνθρακα. Στο συγκεκριμένο διάγραμμα φαίνεται ότι αθροιστικά τα δείγματα 5 και 6 έχουν τις ίδιες εκπομπές.

55 54 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Στην εικόνα 4.4 είναι ευδιάκριτο ότι τα καταλυτικά φίλτρα 5 και 6 παρουσιάζουν καλύτερη απόδοση συγκριτικά με το δείγμα 1, όμως συνολικά τα δύο φίλτρα εκπέμπουν την ίδια ποσότητα μονοξειδίου. Επίσης στα πρώτα λεπτά του κύκλου οδήγησης είναι διακριτό ότι το δείγμα 5 υστερεί σε απόδοση κατά τη διάρκεια της ψυχρής εκκίνησης εξαιτίας του μεγαλύτερου όγκου του καταλύτη και συνεπαγόμενα σε μεγαλύτερη θερμική μάζα. Όπως ξεκαθαρίστηκε στο κεφάλαιο 3, η θερμική μάζα του καταλυτικού φίλτρου έχει σημαντική συνεισφορά στη συμπεριφορά της ψυχρή εκκίνησης. Επομένως, αυτή η διαφορά στις αθροιστικές εκπομπές στο αρχικό κομμάτι οφείλεται στην επίδραση της θερμικής μάζας όπως ορίστηκε από την επιλογή των γεωμετρικών διαστάσεων. Ακόμη, αξιοσημείωτο είναι το γεγονός της επίδρασης της γεωμετρίας στο δεύτερο σημαντικό κομμάτι του κύκλου οδήγησης που είναι το κομμάτι με την υψηλή ταχύτητα, όπου το δείγμα 5 δείχνει καλύτερη συμπεριφορά σε σύγκριση με τα άλλα δυο δείγματα αναφέροντας παράλληλα την ανεπιθύμητη συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου 1. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι κανένα δείγμα δεν πληρεί τα όρια εκπομπών για τους συνολικούς υδρογονάνθρακες, όπως θα παρουσιαστεί στη συνέχεια. Στην επόμενη κύρια κατηγορία ρύπων, παραμένει η ίδια εικόνα όσον αφορά τη συμπεριφορά των δειγμάτων και την επίδραση του λόγου διαμέτρου εικόνα 4.5. Παρατηρείται ελαφρώς καλύτερη απόδοση του καταλυτικού φίλτρου 6 σε σχέση με τα άλλα δυο χωρίς όμως να αντισταθμίζει το παράγοντα πτώσης πίεσης. Στις αθροιστικές εκπομπές υδρογονανθράκων εξηγούνται για τους ίδιους λόγους οι εκάστοτε συμπεριφορές. Συγκεκριμένα, το καταλυτικό φίλτρο 6 επιδεικνύει καλύτερη συμπεριφορά σε όλη τη διάρκεια του κύκλου ενώ το δείγμα 1 παραμένει ακατάλληλο για εφαρμογή ως μοναδικός καταλύτης στο σύστημα μετεπεξεργασίας. THC εικόνα 4.5. Απόδοση καταλυτικών φίλτρων για τις εκπομπές των συνολικών υδρογονανθράκων (αριστερά). Διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών συνολικού υδρογονάνθρακα. Είναι εμφανή η διαφορά στις εκπομπές για τα τρία δείγματα (δεξιά). Στην εικόνα 4.6 απεικονίζονται οι εκπομπές σε οξείδια του αζώτου και της απόδοσης των δειγμάτων σε σχέση με το χρόνο. Ως γνωστό οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου συγκεντρώνονται στη φάση της επιτάχυνσης και ενώ το όχημα κατέχει υψηλή ταχύτητα καθώς

56 55 τα NO X είναι συνυφασμένα με την παροχή του αέρα και την θερμοκρασία του κινητήρα. Σε αυτή την περίπτωση, το αξιοσημείωτο είναι οι συνολικές αθροιστικές εκπομπές του φίλτρου 1 οι οποίες αγγίζουν 2,5 φορές τις εκπομπές των άλλων δύο δειγμάτων και κυρίως στην τελευταία φάση του κύκλου οδήγησης. Με άλλα λόγια, η συσκευή 1 δεν πληροί κανένα όριο εκπομπών πλην του μονοξειδίου του άνθρακα όπως έχει οριστεί από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή, πίνακα 1.1, με αποτέλεσμα να καθίσταται ακατάλληλη για μοναδική συσκευή στην έξοδο του κινητήρα. Για την αποσαφήνιση των αποτελεσμάτων, η έλλειψη ενεργών καταλυτικών μετάλλων στο πίσω μέρος του φίλτρου και ειδικότερα η έλλειψη ρόδιου (Rh) επηρεάζει αρνητικά την αντίδραση των οξειδίων του αζώτου η οποία όπως αναφέρθηκε στην αρχή του παρόντος κεφαλαίου συμβαίνει σε όλο το μήκος του καταλύτη. NOX εικόνα 4.6. Απεικόνιση της απόδοσης των καταλυτών όσο αφορά τα οξείδια του αζώτου. Το δείγμα 1, μετράει εκπομπές στην έξοδο του φίλτρου αντ ίθετα με τα άλλα δυο. Αθροιστικές εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Η διαφορά στις εκπομπές του δείγματος 1 με τα 5 και 6 είναι περίπου 2,5 φορές επάνω (250%). Ολοκληρώνοντας την πρώτη σύγκριση, στην εικόνα 4.7 και στην εικόνα 4.8 παρατίθενται τα ποσοτικά διαγράμματα των ρύπων από τις προσομοιώσεις στο υπολογιστικό πρόγραμμα axitrap. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι καλύτερο, συγκριτικά με τους άλλους καταλύτες, είναι το φίλτρο 6 όπως ήταν αναμενόμενο, λόγω του όγκου του και επομένως της μεγαλύτερης ποσότητας washcoat. Ωστόσο, όσον αφορά τη πτώση πίεσης, το καταλυτικό φίλτρο 5 παρουσιάζει χαμηλότερη αντίθλιψη εξαιτίας του μικρότερου λόγου μήκος - διάμετρος σε αντίθεση με τα άλλα δείγματα. Ο τελευταίος παράγοντας είναι αρκετά σημαντικός διότι αντισταθμίζει την επιβάρυνση της παγίδας στον πρωταρχικό σχεδιασμό του κινητήρα απευθείας έγχυσης για την μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα.

57 56 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα 4.7. Ποσοτικό διάγραμμα των ρύπων ενός βενζινοκινητήρα. Από τη σύγκριση διακρίνεται ότι το δείγμα 6 συγκεντρώνει την καλύτερη απόδοση μεταξύ των τριών. εικόνα 4.8. Εστίαση του ποσοτικού διαγράμματος της εικόνας 5.9. Είναι προφανές ότι το δείγμα του καταλυτικού φίλτρου 1 έχει την μικρότερη απόδοση ανάμεσα στα δείγματα 5 και 6. εικόνα 4.9. Ποσοτικό διάγραμμα με την πτώση πίεσης στο καταλυτικό φίλτρο κατά τη διάρκεια της μέγιστης ταχύτητας στο κομμάτι της οδήγησης σε αυτοκινητόδρομο.

58 57 Ολοκληρώνοντας το πρώτο κομμάτι της τωρινής διερεύνησης, προσπάθεια γίνεται να εξαχθούν ορισμένα συμπεράσματα ως προς το καταλυτικό φίλτρο και την λειτουργία του στο σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων. Τα εν λόγω συμπεράσματα συνοψίζονται παρακάτω : - Διαπιστώθηκε ότι για την πτώση πίεσης, από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, μεγάλη συμβολή έχει ο λόγος μήκος - διάμετρος του καταλυτικού φίλτρου καθώς υπολογίστηκε ότι μειώνοντας γραμμικά τον λόγο μειώνεται κατά αντιστοιχία και η πτώση πίεσης. Επομένως, στη φάση του σχεδιασμού για τη βελτιστοποίηση του φίλτρου πρέπει να ληφθεί υπόψη η βαρύτητα του συγκεκριμένου λόγου. - Τα αποτελέσματα των αθροιστικών εκπομπών για τους τρείς ρύπους, επιβεβαίωσαν τις αρχικές εκτιμήσεις για την επίδραση του λόγου μήκος - διάμετρος στη διάρκεια ενός νομοθετημένου κύκλου οδήγησης κατατάσσοντας το δείγμα 6, το οποίο έχει συγκριτικά το μεγαλύτερο μήκος καταλύτη, καλύτερο σε αθροιστικές εκπομπές ρύπων, ενώ ακολουθεί το δείγμα 5 με το αμέσως μικρότερο μήκος καταλύτη. Ο όγκος του καταλύτη παίζει σημαντικό ρόλο στην ποσότητα των ενεργών μετάλλων και της καταλυτικής επίστρωσης που εναποτίθεται στη συσκευή, καθώς όσο διατηρείται ίδια φόρτιση η μάζα των μετάλλων και της καταλυτικής επίστρωσης αυξάνεται με τον όγκο. - Επίσης, από τα αθροιστικά διαγράμματα έγινε αντιληπτή η υστέρηση του δείγματος 5 στην φάση της ψυχρή εκκίνησης διότι έχει περισσότερη θερμική μάζα σε σχέση με τα άλλα δυο δείγματα. - Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί το γεγονός ότι σε συλλογικό επίπεδο κανένα καταλυτικό φίλτρο δεν πληρεί τις προϋποθέσεις για τα όρια εκπομπών Euro 6 καθώς οι εκπομπές συνολικού υδρογονάνθρακα είναι πάνω από τα όρια. Το τελευταίο συμπέρασμα αναφέρεται στην δυνατότητα του καταλυτικού φίλτρου να αντικαταστήσει τον συμβατικό τριοδικό καταλύτη. 4.4 Επίδραση «zoning». Οι προσομοιώσεις που θα παρουσιαστούν σε αυτή την ενότητα έχουν ως σκοπό να ερευνήσουν την επίδραση που έχει η στοχευόμενη καταλυτική επίστρωση (washcoat) με την τεχνολογία «zoning» στο καταλυτικό φίλτρο. Ως θέμα αναφοράς, πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ ενός δείγματος με ομοιόμορφη καταλυτική επίστρωση στο εσωτερικό του καταλύτη και ενός με στοχευόμενη επίστρωση στο μισό του όγκου του. Λαμβάνοντας υπόψη ότι στο δεύτερο δείγμα (sample 5) φορτίζεται ο μισός καταλύτη και από τη στιγμή που οι διαστάσεις των δύο είναι ίσες, σκόπιμα αυξήθηκε η φόρτιση σε washcoat από Β σε Α g/l, καθώς επίσης και η φόρτιση σε PGM από low σε high g/ft 3. Ο τρόπος που διπλασιάστηκε η φόρτιση σε πολύτιμα μέταλλα έγινε μέσω της εντολής «dispersion parameter [-]» στο axitrap. Επομένως, στα αποτελέσματα που θα ακολουθήσουν απομονώνονται όλοι οι υπόλοιποι παράμετροι και εξετάζεται μόνο η συγκεκριμένη επίδραση, zoning.

59 58 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Λαμβάνοντας υπόψη τις έρευνες που έχουν διεξαχθεί με το συγκεκριμένο θέμα του zoning, μπορεί να γίνει μια πρώτη εκτίμηση για τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Ως πρώτη εκτίμηση θα περίμενε κανείς την καλύτερη απόδοση του καταλυτικού φίλτρου με στοχευόμενη εναπόθεση καταλυτικών ουσιών στην αντίδραση του μονοξειδίου του άνθρακα σε σχέση με το απλό καταλυτικό φίλτρο. Στην εικόνα 4.10, παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ των δύο φίλτρων. Μάλιστα, το δείγμα 5 στο οποίο έχει γίνει χρήση του zoning δείχνει καλύτερη συμπεριφορά συγκριτικά με το δείγμα 7, όπως αναμενόταν. Αυτή η συμπεριφορά αποδίδεται στην αυξημένη συγκέντρωση των ενεργών υλικών στην μπροστινή ζώνη όπου λαμβάνουν χώρα σχεδόν όλες οι αντιδράσεις. Επίσης, η παρουσία των καταλυτικών στοιχείων στο μπροστινό μέρος επιταχύνει τις αντιδράσεις εξαιτίας της ταχύτερης θέρμανσης των στοιχείων. CO εικόνα Σύγκριση καταλυτικών φίλτρων ως προς τη συμπερι φορά στο μονοξείδιο του άνθρακα. Το δείγμα 7, το οποίο έχει επικαθίσει η καταλυτική επίστρωση σε όλο το μήκος ομοιόμορφα έχει μικρότερη απόδοση. Όμοια στην εικόνα 4.11 απεικονίζεται η συμπεριφορά των συγκρινόμενων φίλτρων στους συνολικούς υδρογονάνθρακες. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά για την τεχνολογία zoning καθώς επιδεικνύουν καλύτερη συμπεριφορά σε σχέση με το «fully-coated» φίλτρο. Για τον ίδιο ακριβώς λόγο ερμηνεύεται η συμπεριφορά του δείγματος 5 σε αντίθεση με το δείγμα 7. Η συγκεντρωμένη ποσότητα παλλαδίου στην είσοδο επιταχύνει την οξείδωση των υδρογονανθράκων με αποτέλεσμα οι αθροιστικές εκπομπές THC να είναι εμφανώς μειωμένες. Όσο αφορά τις αθροιστικές συγκεντρώσεις των οξειδίων του αζώτου, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρουσιάζονται στην εικόνα Εμφανώς το καταλυτικό φίλτρου με τις δυο ζώνες επίστρωσης είναι αποδοτικότερο.

60 59 THC εικόνα Απεικόνιση των δειγμάτων 5 και 7 ως προς τη συμπεριφορά στους συνολικούς υδρογονάνθρακες. Ο μοίως, το δείγμα 5 έχει καλύτερη συμπεριφορά συγκριτικά. NOX εικόνα Επίδραση της καταλυτικής επίστρωσης στην απόδοση του κατ αλύτη. Στο διάγραμμα φαίνονται οι αθροιστικές εκπομπές οξειδίου του αζώτου. Στην εικόνα 4.13 και εικόνα 4.14 παρουσιάζονται τα ποσοτικά διαγράμματα των εξεταζόμενων ρύπων από τη σύγκριση των δυο καταλυτών. Στην πρώτη φάση του κύκλου οδήγησης, δηλαδή μέχρι τα πρώτα 200 δευτερόλεπτα όπου θεωρείται η ψυχρή εκκίνηση του καταλύτη, η επίδραση του zoning είναι σημαντική για το καταλυτικό φίλτρο 5. Στη τελευταία φάση του κύκλου όμως όπου εκπέμπονται τα περισσότερα οξείδια του αζώτου κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης με μεγάλη ταχύτητα, το καταλυτικό φίλτρο 5 διατηρεί την επίδοση του συγκριτικά με το απλό καταλυτικό φίλτρο 7. Η εγγενείς διαφορά μεταξύ των δειγμάτων δεν είναι μεγάλη αλλά ούτε μπορεί να αγνοηθεί όταν τα όρια εκπομπών είναι απαιτητικά.

61 60 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα Ποσοτικό διάγραμμα με τους βασικούς ρύπους. Συνολικά το δείγμα 5 υπερτερεί σε όλους τους τομείς σε αντίθεση με το δείγμα 7. εικόνα Εστίαση του ποσοτικού διαγράμματος στους δυο ρύπους. Όμοια με την ενότητα 4.3, τα συμπεράσματα των αποτελεσμάτων της διερεύνησης περί zoning συνοψίζονται ακολούθως : - Έχοντας ως γνώμονα την ακρίβεια στην περιγραφή των αποτελεσμάτων, τα καταλυτικά φίλτρα που επιλέχθηκαν για την διερεύνηση είχαν ίδιο όγκο καταλύτη, ίδιες γεωμετρικές διαστάσεις που σημαίνει ίδιος λόγος μήκος - διάμετρος και ίδια θερμική μάζα. Οι στοχευόμενες επιλογές στις γεωμετρικές παραμέτρους δεν αφήνει περιθώρια στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων από άλλες επιδράσεις. - Επομένως, η επίδραση της στοχευόμενης εναπόθεσης μέσα στο υπόστρωμα του φίλτρου απεικονίζεται στα διαγράμματα των αθροιστικών εκπομπών όπου είναι ξεκάθαρη η συνεισφορά της στην καλύτερη συμπεριφορά της συσκευής σε όλη τη διάρκεια του κύκλου.

62 61 Η αυξημένη ποσότητα PGM και washcoat στην είσοδο συμβάλει στην μετατροπή των ρύπων όπως και απεικονίζεται στα αντίστοιχα διαγράμματα. - Τέλος, όσο αφορά το κομμάτι των ορίων εκπομπών, προφανώς το νέο καταλυτικό φίλτρο που εισήχθηκε στην έρευνα δεν πληρεί τις προϋποθέσεις όσο διατηρεί χειρότερη απόδοση από το δείγμα 5, το οποίο από την προηγούμενη διερεύνηση δεν πληρούσε τα όρια. 4.5 Επίδραση της ποσότητας «washcoat». Η καταλυτική επίστρωση (washcoat) είναι ένα λεπτό στρώμα πορώδους και πυρίμαχου υλικού, που καλύπτει την επιφάνεια του κεραμικού φορέα. Ο βασικός ρόλος του είναι η αύξηση της ειδικής επιφάνειας του φορέα ώστε να επιτευχθεί καλύτερη διασπορά των ενεργών συστατικών και να αυξηθεί η ενεργός επιφάνεια προσρόφησης των αντιδρώντων. Το βάρος του είναι περίπου το 10-15% του μονόλιθου και η ειδική επιφάνεια που επιτυγχάνεται είναι της τάξης των m 2 /g. Το υλικό που χρησιμοποιείται είναι η αλούμινα με τη μορφή γ-al 2 O 3. Στην προκείμενη ενότητα εξετάζεται η επίδραση της διαφορετικής φόρτωσης με καταλυτική επίστρωση στην συμπεριφορά του καταλυτικού φίλτρου κατά τη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης NEDC. Προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση της φόρτωσης, θα πρέπει πρωτίστως να γίνει αντιληπτό ότι σε σύγκριση με τον τριοδικό καταλύτη, η εναπόθεση της καταλυτικής επίστρωσης μέσα στο φίλτρο γίνεται στο εσωτερικό του τοιχώματος. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας επιφέρει μείωση στο μέγεθος των πόρων του τοιχώματος και δυσκολία στην μεταφορά μάζας. Η δυσκολία που αναφέρθηκε ερμηνεύεται ως πτώση πίεσης, η οποία έχει σχετιστεί ως σημαντικός ανασταλτικός παράγοντας στο σχεδιασμό και εφαρμογή του φίλτρου στο σύστημα μετεπεξεργασίας. Επομένως, στο σχεδιασμό του καταλυτικού φίλτρου θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το πορώδες του υποστρώματος στην περίπτωση που εφαρμοστεί καταλυτική επίστρωση στο εσωτερικό καθώς οι προϋπολογισμένοι πόροι θα μειωθούν. Σειρά πειραμάτων σχετικά με την συγκεκριμένη επίδραση κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι βελτιώνουν τις εκπομπές στην έξοδο του καταλύτη αλλά παράλληλα αυξάνουν την αντίθλιψη αισθητά. Στη παρούσα φάση της εργασίας, ερευνάται η επίδραση της ποσότητας της φόρτισης της καταλυτικής επίστρωσης στη συμπεριφορά του καταλύτη, διεξάγοντας καθορισμένες προσομοιώσεις με μισή ποσότητα washcoat. Στην εικόνα 4.15 παρουσιάζονται οι αθροιστικές εκπομπές του μονοξειδίου του άνθρακα για το δείγμα 4, όπου περιέχει μικρότερη ποσότητα φόρτισης σε καταλυτική επίστρωση εν αντιθέσει με το δείγμα 5. Στο διάγραμμα είναι φανερό ότι η επίδραση της ποσότητας της φόρτισης δεν έχει και μεγάλη συνεισφορά στις εκπομπές, σε καμία φάση του κύκλου οδήγησης. Το αποτέλεσμα των προσομοιώσεων ήταν, από πλευράς μηχανικού ενδιαφέροντος, προβλέψιμο καθώς η φόρτιση δεν επιδρά σε μεγάλος βαθμό στην οξείδωση και αναγωγή των στοιχείων όσο τα ενεργά μέταλλα. Παρά το γεγονός αυτό, υπάρχει μια ελάχιστη διαφορά για το καταλυτικό φίλτρο με τη μισή ποσότητα.

63 62 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ CO εικόνα Το πρώτο διάγραμμα της επίδρασης της διαφορετικής ποσότητας φόρτισης της καταλυτικής επίστρωσης. Ελάχιστη είναι η διαφορά στο δείγμα 4 όπου έχει τη μισή ποσότητα σε σχέση με το 5. Παρόμοια είναι η κατάσταση στα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για τις αθροιστικές εκπομπές υδρογονανθράκων, στις οποίες η επίδραση της φόρτισης είναι μηδαμινή, εικόνα THC εικόνα Η επίδραση της διαφορετικής ποσότητας φόρτισης στο καταλυτικό φίλτρο όπως απεικονίζεται στο διάγραμμα έχει ελάχιστη συνεισφορά στις αθροιστικές συγκεντρώσεις υδρογονανθράκων. Στο τρίτο ενδιαφερόμενο διάγραμμα των αθροιστικών εκπομπών, παρουσιάζεται ορισμένη επιδείνωση στο καταλυτικό φίλτρο με διπλάσια ποσότητα, η οποία ενισχύει την εφαρμογή της μειωμένης ποσότητας washcoat με σκοπό τη μείωση των ρύπων. Συγκεκριμένα, το καταλυτικό φίλτρο 5 το οποίο έχει διπλάσια ποσότητα washcoat από ότι το δείγμα 4 παρουσιάζει αισθητή αύξηση των συγκεντρώσεων του οξειδίου του αζώτου, ήδη από την εκκίνηση του κύκλου οδήγησης. Αν και η συνεισφορά της καταλυτικής επίστρωσης στην θερμική μάζα του καταλυτικού φίλτρου είναι ελάχιστη, της τάξης του 10-15% για να μπορέσει να ερμηνευτεί η συμπεριφορά της ψυχρή εκκίνησης, η επίδραση της μειωμένης ποσότητας καταλυτικής επίστρωσης στην συμπεριφορά των οξειδίων του αζώτου πιθανότατα οφείλεται στην

64 63 μεγαλύτερη ελευθερία διείσδυσης των μορίων, εξαιτίας του μεγαλύτερου ελεύθερου όγκου, στις καταλυτικές επιφάνειες για την αναγωγής τους. NOX εικόνα Στο διάγραμμα των αθροιστικών συγκεντρώσεων των οξειδίων του αζώτου, η επίδραση της φόρτισης είναι σημαντική και επιδρά ακόμη από την φάση της ψυχρής εκκίνησης. Η περιορισμένη επέκταση της προκείμενης ενότητας, αντικατοπτρίζει και την βαρύτητα της επίδρασης της ποσότητα φόρτισης με καταλυτική επίστρωση στον καταλύτη. Ως εκ τούτου, η μελέτη επί του θέματος έχει ενδιαφέρον στην επίδραση της ποσότητας της φόρτισης στην αντίθλιψη του συστήματος με σκοπό τη βελτιστοποίησή του. Σε κάθε περίπτωση, η χρήση διαφορετικής καταλυτικής επίστρωσης επιδέχεται και διαφορετική αντιμετώπιση ως προς την ερμηνεία των αποτελεσμάτων, ανάλογα με το σκοπό της έρευνας. Συμπερασματικά, η επιλογή της ποσότητας της καταλυτικής επίστρωσης χρήζει κάποια σημασία στο σχεδιασμό του συστήματος μετεπεξεργασίας και εξαρτάται από το αρχικό σχεδιασμό που κυμαίνεται μεταξύ της βέλτιστης συμπεριφοράς των ρύπων και της βέλτιστης συμπεριφοράς στην πτώση πίεσης. εικόνα Ποσοτικό διάγραμμα αθροιστικών εκπεμπόμενων ρύπων. Σύγκριση μεταξύ καταλυτικών φίλτρων με ίσο όγκο καταλύτη όμως διαφορετική ποσότητα washcoat. Στην προκείμενη περίπτωση η μείωση της ποσότητας washcoat επιδρά θετικά στις αντιδράσεις, όπως φαίνεται στο δείγμα 4 ( sampl e 4).

65 64 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα : Εστίαση του ποσοτικού διαγράμματος στους ρύπους του υδρογονάνθρακα και των οξειδίων του αζώτου. Η επί πτωση της διαφορετικής ποσότητας washcoat είναι αισθητή αλλά ελάχιστη. 4.6 Επίδραση διαφορετικών παραμέτρων σε καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων. Στην επικείμενη ενότητα αυτού του κεφαλαίου, διεξάγεται μια συνδυαστική διερεύνηση όσο αφορά την επίδραση των παραμέτρων που εξετάστηκαν στα καταλυτικά φίλτρα. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφερθεί ότι συγκρίνονται τρία δείγματα τα οποία έχουν διαφορετικό όγκο καταλύτη και χρήση zoning. Αναλυτικότερα, το δείγμα 1 και 8, έχουν όγκο καταλύτη 1,1 l ενώ το δείγμα 7 έχει όγκο καταλύτη 2 l. Προφανώς και συμβάλει σε μεγάλο βαθμό ο όγκος του καταλύτη στην απόδοσή του, όμως αυτή η διαφορά θα εξεταστεί στη συνέχεια. Επίσης, το δείγμα 1 είναι χωρισμένο σε δυο ζώνες στις οποίες μοιράζεται η καταλυτική επίστρωση και τα ενεργά καταλυτικά στοιχεία στην μπροστινή ζώνη, ενώ η πίσω θεωρείται ανενεργή. Ο διαχωρισμός των ζωνών επέβαλλε για τους σκοπούς της έρευνας, τον διπλασιασμό της φόρτισης των καταλυτικών στοιχείων, washcoat PGM, στην μπροστινή ζώνη. Σε αυτή τη σύγκριση, η εστίαση σε συγκεκριμένους παραμέτρους είναι προφανώς δυσκολότερη και γι αυτό το λόγο η προσέγγιση των αποτελεσμάτων θα γίνει από ευρύτερη σκοπιά. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται, περιέχουν τις αθροιστικές εκπομπές των βασικών ρύπων ενός βενζινοκινητήρα, αμελώντας την απόδοση του καταλύτη στην κατακράτηση σωματιδίων, καθώς και το προφίλ της θερμοκρασίας, πίεσης με το χρόνο. Στην εικόνα 4.20 απεικονίζεται το θερμοκρασιακό προφίλ των τριών δειγμάτων κατά τη διάρκεια του κύκλου οδήγησης, NEDC. Στο διάγραμμα είναι προφανής η υστέρηση του δείγματος 7 στην θερμοκρασία εισόδου του φίλτρου, εξαιτίας της αυξημένης θερμικής μάζας. Μάλιστα το φαινόμενο είναι αισθητό στην φάση της ψυχρή εκκίνησης του κινητήρα όπου η διαφορά στην θερμοκρασία μεταξύ του καταλυτικού φίλτρου 7 και των φίλτρων 1 και 5 είναι μεταξύ 60 και 70 Ο C.

66 65 εικόνα Θ ερμοκρασιακό προφίλ για τα τρία δείγματα στη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης. Το δείγμα 7 υστερεί στην από κριση της θέρμανσης εξαιτίας του μεγαλύτερου όγκου και αντίστοιχα θερμικής μάζας. Στη σειρά των διαγραμμάτων, στην εικόνα 4.21, παρατίθεται η επίπτωση της πτώσης πίεσης με την εφαρμογή διαφορετικών παραμέτρων στα φίλτρα. Παρόλο που οι διαφορές δεν είναι σημαντικές μεταξύ των φίλτρων, το δείγμα 7 συγκεντρώνει την μικρότερη πτώση πίεσης εξαιτίας του μικρότερου λόγου μήκος διάμετρος. Έχει αποδειχθεί από εύλογο αριθμό πειραμάτων ότι τέτοια τάξη μεγέθους πτώσης πίεσης δεν επιβαρύνει το σύστημα περαιτέρω και οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα δεν παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές [9]. εικόνα Στο διάγραμμα πτώσης πίεσης, επι βεβαιώνεται η επίδραση του λόγου μήκος διάμετρος, όπως επίσης και η επίδραση της φόρτιση της μπροστινής ζώνης. Στα διαγράμματα των αθροιστικών εκπομπών και συγκεκριμένα στου μονοξειδίου του άνθρακα είναι εμφανές ότι στη πρώτη φάση του κύκλου οδήγησης, το καταλυτικό φίλτρο 1 έχει ταχύτερη απόκριση στην οξείδωση του μονοξειδίου σε αντίθεση με τα άλλα δυο. Παρόλο αυτά, στην τελευταία φάση της οδήγησης όπου ο κινητήρας αποδίδει το μέγιστο φορτίο, γι αυτές τις συνθήκες οδήγησης, το δείγμα 7 λόγω του όγκου του και κατ επέκταση της αυξημένης ποσότητας σε ενεργά μέταλλα, έχει την καλύτερη συμπεριφορά, κάτι που δεν παρατηρείται στα υπόλοιπα δείγματα.

67 66 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ CO εικόνα Στο διάγραμμα παρουσιάζονται οι αθροιστικές εκπο μπές μονοξειδίου του άνθρακα. Παρότι το καταλυτικό δείγμα 1 έχει ταχύτερη απόκριση στην πρώτη φάση, στην τελευταία παρουσιάζει τη χειρότερη συμπεριφορά σε σχέση με τα άλλα δυο δείγματα. Στην εικόνα 4.23 απεικονίζονται οι αθροιστικές εκπομπές των υδρογονανθράκων για τα τρία δείγματα. Είναι προφανές το γεγονός της επίδρασης zoning στο καταλυτικό φίλτρο 1 το οποίο παρουσιάζει αρκετά καλή συμπεριφορά στη φάση της ψυχρής εκκίνησης εξαιτίας της υψηλής συγκέντρωσης ενεργών μετάλλων στο μπροστινό του μέρος. Σε αντίθεση όμως με τη ψυχρή εκκίνηση, όταν οι απαιτήσεις του κινητήρα αγγίξουν τα ανώτερα όρια, το ίδιο φίλτρο παρουσιάζει ανεπιθύμητη συμπεριφορά καθώς δεν μπορεί να διαχειριστεί την αυξημένη ροή καυσαερίων που εισέρχεται. Από την άλλη μεριά, το δείγμα 8, το οποίο έχει ίδιο ακριβώς όγκο καταλύτη με το δείγμα 1, αλλά δεν χρησιμοποιεί zoning έχει ισορροπημένη συμπεριφορά με μικρή απόκλιση στη φάση της απαιτητικής οδήγησης. THC εικόνα Διάγραμμα αθροιστικών εκπομπών υδρογονανθράκων σε κύκλο οδήγησης NEDC. Το δείγμα 1 έχει την καλύτερη απόδοση στην ψυχρή εκκίνηση, παρόλα αυτά συγκεντρώνει τις υψηλότερες εκπομπές στην έξοδο του φίλτρου. Επιπλέον, στην εικόνα 4.24 παρατίθεται η συμπεριφορά των φίλτρων στις εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Οι εκπομπές των NO X από το δείγμα 1 είναι ξεκάθαρα εκτός ορίων εκπομπών για το Euro 6, όπως προέκυψε από την πρώτη διερεύνηση αυτού του κεφαλαίου. Παράλληλα, όμως με το δείγμα 1, το καταλυτικό φίλτρο 8 εξαιτίας του μικρότερου όγκου αντίδρασης που

68 67 κατέχει, αδυνατεί να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις του συστήματος στην τελευταία φάση του κύκλου, με αποτέλεσμα να ξεπερνάει κι αυτό με τη σειρά του τα όρια εκπομπών για τα οξείδια του αζώτου, που ανέρχονται σε 60 mg/km. NOX εικόνα Απεικόνιση των αθροιστικών εκπομπών οξειδίων του αζώτου. Στο δείγμα 1 είναι ξεκάθαρο ότι στην τελευταία φάση του κύκλου, οδήγηση μ ε υψηλή ταχύτητα και επιτάχυνση, δείχνει ανεπιθύμητη συμπεριφορά καθώς εκλύονται οι μέγιστες συγκεντρώσεις NOX. Αντίστοιχα, στην εικόνα 4.25 και εικόνα 4.26 συγκρίνονται τα τρία καταλυτικά δείγματα ως προς την συμπεριφορά τους στην μετατροπή των ρύπων. εικόνα Ποσοτικό δ ιάγραμμα ρύπων για τα καταλυτικά δείγματα 1, 7 και 8. Το καταλυτικό δείγμα 7 παρουσιάζει καλύτερη απ όδοση συγκριτικά με τα άλλα δυο, εξαιτίας της μεγαλύτερης ποσότητας καταλυτικών ουσιών που έχει.

69 68 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα Ποσοτικό διάγραμμα ρύπων συνολικών υδρογονανθράκων και οξειδίων του αζώτου σε κλίμακα ως προς τη ν εικόνα Το δείγμα 7, με την ομοιόμορφη εναπόθεση των καταλυτικών ουσιών σε όλο το μήκος του δείχνει καλύτερη συμπεριφορά. Από τα ποσοτικά διαγράμματα, είναι εμφανή η ανώτερη συμπεριφορά του δείγματος 7, εξαιτίας της περισσότερης ποσότητας καταλυτικών ουσιών, διότι ο όγκος του είναι μεγαλύτερος από το δείγμα 8. Το γεγονός αυτό, συνεπάγεται σε αυξημένης ποσότητας ευγενών μετάλλων και καταλυτικής επίστρωσης για δεδομένη φόρτιση καταλύτη. Καταληκτικά, στην εικόνα 4.27, παρουσιάζονται οι αποδόσεις των εκάστοτε δειγμάτων μαζί με τα νέα όρια του Euro 6. Όπως είναι διακριτό από το ποσοτικό διάγραμμα, κανένας καταλυτικό φίλτρο δεν πληρεί τα όρια για τους συνολικούς υδρογονάνθρακες. Η πρώτη ερμηνεία των αποτελεσμάτων, ότι το καταλυτικό φίλτρο δεν έχει τις δυνατότητες να σταθεί ως μοναδική συσκευή στην έξοδο είναι γρήγορη και εσφαλμένη, καθώς με δεύτερη σκέψη μπορεί να υποτεθεί ότι με ελάχιστη παρέμβαση στην κατανομή των πολύτιμων μετάλλων, της καταλυτικής επίστρωσης, ακόμη και της γεωμετρίας είναι εφικτό τα δείγματα 4,5 και 6 να μην ξεπερνούν τα όρια. Μάλιστα, δεν είναι άγνωστο το γεγονός ότι έχει δοκιμαστεί η απόδοση του καταλυτικού φίλτρου σε συνθήκες ενός κύκλου οδήγησης με την επιθυμητή συμπεριφορά [12-17].

70 69 εικόνα Ποσοτικό διάγραμμα εκπομπών μαζί με τα όρια εκπομπών Euro 6. Είναι διακριτό ότι κανένα φίλτρο δεν πληρεί τα όρια για του ς υδρογονάνθρακες, όπως επίσης τα δείγματα 1 και 8 δεν πληρούν τα όρια για τα οξείδια του αζώτου.

71 70 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Κεφάλαιο 5 ο 5 Υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης αιθάλης στο καταλυτικό φίλτρο. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας θα παρουσιαστούν τρεις υποενότητες που συσχετίζονται με την επίδραση της αιθάλης στο καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων. Το πρώτο κομμάτι περιλαμβάνει την επιρροή της αιθάλης στην πτώση πίεσης όταν εφαρμόζεται στο καταλυτικό φίλτρο στοχευόμενη εναπόθεση καταλυτικής επίστρωσης. Στο δεύτερο κομμάτι θα παρατεθούν ποικίλες ιδέες για την μείωση των εκπεμπόμενων αριθμού σωματιδίων, ενώ στο τελευταίο κομμάτι θα γίνει υπολογιστική διερεύνηση για την επίδραση της αιθάλης στη λειτουργία του καταλυτικού φίλτρου. 5.1 Διερεύνηση της πτώσης πίεσης σε καταλυτικά φίλτρα σωματιδίων με «zoning». Στο πρώτο μέρος του κεφαλαίου εξετάζεται η πτώση πίεσης των καταλυτικών φίλτρων με στοχευόμενη εναπόθεση από πειραματικά δεδομένα και η βαθμονόμηση των παραμέτρων που την καθορίζουν στο υπολογιστικό πρόγραμμα axisuite με σκοπό την άρτια αξιολόγηση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων σε θεωρητικές διερευνήσεις που θα γίνουν στη συνέχεια. Η βαθμονόμηση των φίλτρων έγινε μέσω καθορισμένων βημάτων για τον υπολογισμό των παραμέτρων με τη βοήθεια πειραματικών μετρήσεων. Για την διευκόλυνση του αναγνώστη τα βήματα θα αναλυθούν εκτενώς μετά την προετοιμασία των φίλτρων. 5.2 Προετοιμασία καταλυτικών φίλτρων Αποφεύγοντας την επανάληψη αναφοράς των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των φίλτρων, για τα τρία μέρη του κεφαλαίου θα παρουσιαστούν τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν κατά σειρά αναφοράς. Για την προετοιμασία των καταλυτικών φίλτρων στην πρώτη υποενότητα, χρησιμοποιήθηκαν πέντε καταλυτικά φίλτρα όπως φαίνονται στον πίνακα 5.1. Στον πίνακα 5.2 παρατίθεται το δείγμα 6 ως βασικό φίλτρο, από το οποίο μεταβλήθηκε η πυκνότητα των κελιών, το πάχος του τοιχώματος, το πορώδες και οι μέση διάμετρος των πόρων. Το υλικό του υποστρώματος που χρησιμοποιήθηκε στο φίλτρο ήταν κορδιερίτης, ενώ ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία διαχωρισμού του υποστρώματος σε δυο ζώνες, όπου στην μπροστά ζώνη ήταν συγκεντρωμένες όλες οι καταλυτικές ουσίες. Τέλος, στον πίνακα 5.3 παρουσιάζεται το δείγμα - 5 το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την υπολογιστική διερεύνηση της λειτουργίας του καταλυτικού φίλτρου υπό την επίδραση της αιθάλης.

72 71 πίνακα 5.1. Γεωμετρία καταλυτικών φίλτρων που χρησιμοποιήθηκαν για την β αθμονόμηση των παραμέτρων της πτώσης πίεσης. Ζώνη Μήκος[mm] Διάμετρος[mm] Ζώνες[mm] Washcoat[g/l] Όγκος[l] Δείγμα 1 Μπροστά 50 Loading A Πίσω Δείγμα 4 Μπροστά 62.5 Loading B Πίσω Δείγμα 5 Μπροστά 62.5 Loading A Πίσω Δείγμα 8 Πλήρες Loading A 1.1 Δείγμα 9 Χωρίς πίνακα 5.2. Δεδομένα για το καταλυτικό φίλτρο δείγμα 6 και των παραμέτρων της δεύτερης υποενότητας. Καταλυτικό Φίλτρο δείγμα 6 Συσκευή Small Medium Large 300/8 300/12 200/12 Μήκος [mm] Διάμετρος [mm] Πυκνότητα κελιών [cpsi] Πάχος [mil] Πορώδες [%] Μέση διάμετρος 15μm 15μm πόρων [nm] 20μm 20μm 15μm Washcoat [g/l] Active material [g/ft 3 ] πίνακα 5.3. Καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων δείγμα 5 το οποίο χρησιμοποιείται στην τρίτη υποενότητα λαμβάνοντας υπόψη τις παραμέτρους που βαθμονομήθηκαν στην πρώτη υποενότητα. Ζώνη Μήκος[mm] Διάμετρος[mm] Ζώνες[mm] Washcoat[g/l] Όγκος[l] Δείγμα 5 Μπροστά 62.5 Loading A Πίσω Αποτελέσματα της βαθμονόμησης των καταλυτικών φίλτρων. Για την συγκεκριμένη έρευνα χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά δεδομένα, από τα οποία η διαδικασία που ακολουθήθηκε για να εκτιμηθεί η πτώση πίεσης στο φίλτρο για διάφορες συνθήκες λειτουργίας είναι καθορισμένη. Το πείραμα περιλαμβάνει έξι σημεία σταθερή κατάστασης μεταξύ ταχύτητας και φορτίου με διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της ροής, 3 Καταλυτική επίστρωση Α ποσότητας g/l και καταλυτική επίστρωση Β ίδιας προέλευσης μικρότερης ποσότητας (Α = 2*Β) 4 Το καταλυτικό φίλτρο είναι πλήρως επιστρωμένο με washcoat. 5 Το καταλυτικό φίλτρο έχει καθόλου καταλυτική επίστρωση και μπορεί να θεωρεί ως φίλτρο ροής τοιχώματος.

73 72 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα 5.1. Ο λόγος που εκτίθεται το καταλυτικό φίλτρο σε σημεία σταθερής κατάστασης είναι για την καλύτερη προσέγγιση της κλίσης της πτώσης πίεσης σε διάφορες τιμές ροής καυσαερίου, διότι είναι ευρέως γνωστό ότι η πτώση πίεσης είναι συνάρτηση του τετραγώνου της ταχύτητας. Τα σημεία με τις τιμές της ροής του καυσαερίου και τις αντίστοιχες τις θερμοκρασίας παρουσιάζονται στον πίνακας 5.4. Σημεία σταθερής κατάστασης του πειράματος. Minimap Point Flow [g/l] Temp. [ O C] εικόνα 5.1. Κατανομή θερμοκρασίας και ροής για τα έξι διαφορετικά σημεία σταθερής κατάστασης. Το επόμενο στάδιο του πειράματος είναι η φόρτιση της παγίδας σε συγκεκριμένες τιμές αναφοράς αιθάλης και ξανά η έκθεση στα έξι σημεία σταθερής κατάστασης. Από μηχανολογικής άποψης, για ένα καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων GPF, οι τιμές φόρτισης αιθάλης είναι υπερβολικές διότι ως γνωστό ένας κινητήρας GDI δεν εκπέμπει πάνω από 5 mg/km, που σημαίνει ότι για να γεμίσει ένα φίλτρο με 2 g/l αιθάλης απαιτείται αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα οδήγησης σε ορισμένες συνθήκες λειτουργίας, το οποίο είναι πρακτικά σπάνιο να συμβεί σε επιβατικό όχημα. Παρόλα αυτά, ο σκοπός της έκθεσης είναι ο καθορισμός της τιμής αιθάλης που εισέρχεται στο τοίχωμα και η αντίστοιχη τιμή που το φίλτρο προσεγγίζει το 100% του βαθμού απόδοσης στην εναπόθεση σωματιδίων. Από την στιγμή που καθοριστεί η τιμή φόρτισης για την οποία ουσιαστικά δεν εξέρχονται καθόλου σωματίδια, είναι η τιμή αναφοράς για το υπολογιστικό πρόγραμμα η οποία συνεισφέρει στην πτώση πίεσης ένα σταθερό κομμάτι. Το τελικό στάδιο καθορισμού των παραμέτρων της πτώσης πίεσης είναι ο σχηματισμός του κέικ στο επάνω μέρος του υποστρώματος από τη στιγμή που έχει γεμίσει το τοίχωμα με αιθάλη. Επίσης είναι η ένδειξη ότι ο βαθμός απόδοσης έχει γίνει ίσος με τη μονάδα και η συνεισφορά του στην πτώση πίεσης είναι γραμμική όπως αυξάνεται το πάχος του κέικ. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι για την βαθμονόμηση καταλυτικών φίλτρων που χρησιμοποιούν ζώνες με καταλυτική επίστρωση είναι αδύνατη η παραμετροποίηση στο υπολογιστικό πρόγραμμα. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν τα καταλυτικά φίλτρα 8 και 9 τα

74 73 οποία έχουν αυτό ακριβώς το σκοπό, να βαθμονομηθούν και στη συνέχεια οι παράμετροι να χρησιμοποιηθούν στα καταλυτικά φίλτρα με στοχευόμενη εναπόθεση σε ζώνες. Συνεπάγεται από τα συμφραζόμενα ότι η βαθμονόμηση πρώτα του φίλτρου χωρίς καταλυτική επίστρωση και του φίλτρου με πλήρη καταλυτική επίστρωση σε όλο το μήκος είναι σημαντική για την επικύρωση των παραμέτρων στα καταλυτικά φίλτρα με «zoning». Στην εικόνα 5.2 παρουσιάζεται η κατανομή της ροής και της πτώσης πίεσης για το δείγμα 9 το οποίο δεν έχει καταλυτική επίστρωση στο εσωτερικό του. Και για τις δυο εικόνες η διακεκομμένη γραμμή αφορά τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης από την προσομοίωση, ενώ τα σημεία αναφέρονται στα πειραματικά δεδομένα. Δείγμα 9 χωρίς καταλυτική επίστρωση εικόνα 5.2. Κατανομή ροής και πτώσης πίεσης του καταλυτικού φίλτρου χωρίς φόρτιση αιθάλης. Είναι εμφανές από τα διαγράμματα ότι εφαρμόζοντας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και προσδιορίζοντας την πρώτη παράμετρο που επιδρά στην πτώση πίεσης μόνο από τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας του τοιχώματος, ότι τα υπολογιστικά αποτελέσματα τις προσομοίωσης προσεγγίζουν ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα. Μεταβαίνοντας στο επόμενο βήμα της βαθμονόμησης με τον υπολογισμό της ποσότητας αιθάλης που αποθηκεύεται στο τοίχωμα, προσδιορίζεται και η συνεισφορά της αιθάλης στην πτώση πίεσης προσθέτοντας ένα σταθερό ποσό. Για να υπολογιστεί όμως η απαιτούμενη αιθάλη απαιτείται το διάγραμμα της πτώσης πίεσης συναρτήσει της φόρτισης του φίλτρου με αιθάλη. Στην εικόνα 5.3 εισάγεται ο τρόπος που υπολογίζεται η μάζα μέσα στο φίλτρο με τη βοήθεια μιας παραδοχής, ότι η ποσότητα που εναποτίθεται στο υπόστρωμα είναι περίπου η μισή από την ποσότητα στο φίλτρο και αυτό διότι τα καταλυτικά φίλτρα όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο δυο έχουν πολύ μεγάλη τιμή πορώδες. Συγκεκριμένα, η χωρητικότητα του υποστρώματος σε αιθάλη είναι : [ ] [ ] [ ] Με την παραδοχή ότι το ½ της μάζας αιθάλης εναποτίθεται στο τοίχωμα

75 74 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ [ ] [ ] [ ] Άρα προκύπτει ότι : [ ] Δείγμα 9 Transition Cake filtration εικόνα 5.3. Διάγραμμα πτώσης πίεσης συναρτήσει της φόρτισης αιθάλης του φίλτρου σε g/l. Στο διάγραμμα φαίνεται ότι για τα 0,3 g/l φόρτ ισης ο βαθμός απόδοσης του καταλυτικού φίλτρου αγγίζει το 100%. Το επόμενο βήμα της βαθμονόμησης είναι ο καθορισμός των παραμέτρων για το φορτισμένο φίλτρο εκτιμώντας την συνεισφορά του κέικ. Στην παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για τρεις διαφορετικές φορτίσεις του φίλτρου 9 με διακεκομμένη γραμμή ενώ με σημεία τα πειραματικά δεδομένα. Στο δεξί διάγραμμα είναι εμφανή η συνεισφορά της αιθάλης του τοιχώματος στην πτώση πίεσης με σταθερή τιμή από την καθαρή κατάσταση αλλά και η συνεισφορά του κέικ με την αυξημένη κλίση όσο αυξάνεται και η φόρτιση. Όπως διακρίνεται και από τα διαγράμματα, το μοντέλο προσομοίωσης υπολογίζει ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα για την πτώση πίεσης. Το γεγονός ότι τα υπολογιστικά

76 75 αποτελέσματα προσεγγίζουν τα πειραματικά προσδίδει μια σιγουριά για το υπολογιστικό πρόγραμμα axisuite, ότι μπορεί να προσομοιώσει όλα τα φαινόμενα μεταφοράς με υψηλή ακρίβεια για τα θεωρητικά σενάρια λειτουργίας που θα ακολουθήσουν στη συνέχεια. Δείγμα 9 εικόνα 5.4. Διάγραμμα ροής, πτώσης πίεσης συναρτήσει του χρόνου ή των σημείων σταθερής κατάστασης, (steady state). Για το καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων 8 στο οποίο είναι πλήρες εναποτιθέμενη η καταλυτική επίστρωση, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρουσιάζονται στην εικόνα 5.5 και φανερώνουν ότι και μόνο η εναπόθεση καταλυτική επίστρωσης ενισχύει το παράγοντα αντίθλιψη περίπου δυόμιση φορές, (δείγμα 9 πτώση πίεσης 22 mbar, δείγμα 8 πτώση πίεσης 60 mbar). Οι τιμές τις πτώσης πίεσης είναι αναμενόμενες καθώς η εναπόθεση της καταλυτικής επίστρωσης φράζει τα κανάλια ροής του καυσαερίου με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πτώση πίεσης. Όμως, για τον υπολογισμό της ποσότητας αιθάλης που εναποτίθεται στο τοίχωμα για το δείγμα 8 προέκυψε μια δυσκολία στην παραδοχή. Όπως φαίνεται στην εικόνα 5.6 ο βαθμός απόδοσης της εναπόθεσης αιθάλης είναι σταθερά πάνω από το 95%, το οποίο ερμηνεύεται ως φίλτρο σωματιδίων με περιορισμένη χωρητικότητα. Μια λογική εξήγηση είναι η ποσότητα της καταλυτικής επίστρωσης που συμπληρώνει τα κανάλια ροής όπου θα έπαιρνε θέση η αιθάλη όπως στο δείγμα 9. Στην προκείμενη περίπτωση όμως ήταν αρκετά δύσκολο να προβλεφθεί με παραδοχή η αιθάλη του φίλτρου, καθώς απαιτούνταν επιπλέον πειραματικά δεδομένα με την κατανομή του βαθμού απόδοσης της εναπόθεσης σε σχέση με το χρόνο και όχι με την φόρτιση της αιθάλης. Με το πρόβλημα να προκύπτει στην διερεύνηση των φαινομένων μεταφοράς έγινε η εξής παραδοχή, ή εκπεμπόμενη αιθάλη που φιλτράρεται από το φίλτρο δημιουργεί απευθείας το κέικ το οποίο συνεισφέρει μόνο του στην αντίθλιψη της παγίδας, καθώς δεν υπάρχει ποσότητα αιθάλης που εναποτίθεται στο τοίχωμα. Επομένως στην εικόνα 5.5 οι υπόλοιπες δυο καμπύλες απευθύνονται στην κατανομή της πτώσης πίεσης στα έξι σημεία σταθερής κατάστασης, οι οποίες προσεγγίζουν τα πειραματικά δεδομένα μόνο με την συνεισφορά του κέικ καθώς η συνεισφορά του γεμάτου φίλτρου έγινε με την εναπόθεση καταλυτικής επίστρωσης. Το αποτέλεσμα από την παραδοχή αυτή είναι ότι δεν χρειάστηκε η δεύτερη παράμετρος για τον καθορισμό της αντίθλιψης για την φορτισμένη κατάσταση.

77 76 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Δείγμα 8 εικόνα 5.5. Διάγραμμα πτώσης πίεσης και σημείων λειτουργίας για το φίλτρο 8. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι τιμές τις πτώσης πίεσης είναι αρκετά υψηλότερες από το φίλτρο 9. Δείγμα 8 εικόνα 5.6. Διάγραμμα βαθμού απόδοσης εναπόθεσης αιθάλης για το καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων 8 στη διάρκεια του χρόνου όταν δεν είναι φορτισμένο. Είναι εμφανές ότι ο βαθμός απόδοσης είναι 95%. Επομένως, προσδιορίζοντας τις παραμέτρους των καταλυτικών φίλτρων για την πτώση πίεσης το επόμενο βήμα είναι η εφαρμογή των παραμέτρων στις ζώνες των τριών δειγμάτων 1, 4 και 5 με σκοπό να προσδιοριστεί και σε αυτά τα αντίστοιχα φαινόμενα μεταφοράς. Στην εικόνα 5.7, εικόνα 5.8 και εικόνα 5.9 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με την εφαρμογή των παραμέτρων. Η πρώτη παρατήρηση από τα διαγράμματα είναι ότι σε αντίθεση με τα φίλτρα που δεν είχαν ζώνες, τα υπολογιστικά αποτελέσματα δεν προσεγγίζουν τα πειραματικά για αδιευκρίνιστους λόγους. Ξεκινώντας από το φιλτρο 5, όμοια με το φίλτρο 8, ο βαθμός εναπόθεσης των σωματιδίων είναι κοντά στο 98% σε όλο το εύρος λειτουργίας που

78 77 σημαίνει ότι έγινε η ίδια παραδοχή για την μάζα που εναποτίθεται μέσα στο φίλτρο. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο της συνεισφοράς του κέικ από την αιθάλη θα έπρεπε να προσομοιώνονται τα πειραματικά δεδομένα με ακρίβεια πράγμα που δεν παρατηρείται. Μάλιστα υπάρχει σταθερή διαφορά των προσομοιώσεων από τα πειραματικά δεδομένα για τις τρείς φορτίσεις του φίλτρου. Δείγμα 5 εικόνα 5.7. Διάγραμμα κατανομής πίεσης για το καταλυτικό φίλτρο 5. Υπάρχει απόκλιση από τα πειραματικά δεδομένα έπειτα από την εφαρμογή των παραμέτρων. Με το ίδιο τρόπο σκέψης, το φίλτρο 4 το όποιο κατασκευαστικά περιείχε τη μισή ποσότητα καταλυτικής επίστρωσης από το φίλτρο 5 έχοντας τον ίδιο όγκο, αναμένεται να έχει χαμηλότερη πτώση πίεσης σε σχέση με το φίλτρο 5 και 8 πράγμα που επαληθεύεται από τις τιμές τις πτώσης πίεσης όμως παρόλα αυτά τα υπολογιστικά αποτελέσματα δεν προσεγγίζουν με ακρίβεια τα πειραματικά όμως και από την άλλη δεν αποκλίνουν όσο με το φίλτρο 5. Πάλι οι λόγοι είναι αδιευκρίνιστοι. Τα αίτια μπορεί να οφείλονται σε λάθη του πειράματος, μεταφορά των δεδομένων από τη βάση στο υπολογιστικό πρόγραμμα, λάθη του μηχανικού κτλ. Πέραν όμως της ανάλυσης του σφάλματος, το οποίο δεν είναι το θέμα της διπλωματικής εργασίας, μπορεί να ερμηνευτεί από το διάγραμμα ότι ενώ στις χαμηλές ροές που απευθύνονται στα σημεία 1 έως 3 υπάρχει ικανοποιητική προσέγγιση των πειραματικών δεδομένων, καθώς αυξάνει η ροή η πτώση πίεσης ως γνωστό είναι συνάρτηση του τετραγώνου της ταχύτητας. Στο διάγραμμα είναι εμφανή η απότομη αύξηση της πτώσης πίεσης από το σημείο 3 μέχρι το σημείο 6.

79 78 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Δείγμα 4 εικόνα 5.8. Διάγραμμα πτώσης πίεσης συναρτήσει των σημείων σταθερής κατάστασης για το καταλυτικό φίλτρο 4, το οποίο έχει την μισή ποσότητα κατα λυτικής επίστρωσης σε σχέση με το φίλτρο 5 και φίλτρο - 1. Τέλος για το φίλτρο 1, έχοντας ως γνώμονα την διαδικασία που ακολουθήθηκε για το φίλτρο 9, ομοίως η εφαρμογή των παραμέτρων δεν υπολογίζει τα πειραματικά αποτελέσματα. Δείγμα 1 εικόνα 5.9. Διάγραμμα πτώσης πίεσης συναρτήσει των σημείων σταθερής κατάστασης για το καταλυτικό φίλτρο 1. Το καταλυτικό φίλτρο 1 έχει το μισό όγκο καταλύτη σε σχέση με το δείγμα 5.

80 Διερεύνηση φαινομένων μεταφοράς για την μείωση των εκπομπών αριθμού σωματιδίων. Στο παρών κεφάλαιο θα διερευνηθεί η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων του καταλυτικού φίλτρου στην απόδοση κατακράτησης των σωματιδίων. Για τις ανάγκες της διερεύνησης, επιλέχθηκε ένα καταλυτικό φίλτρο από το προηγούμενο κεφάλαιο και συγκεκριμένα το δείγμα 6, το οποίο μεταβλήθηκε τόσο η δομή των κελιών όσο και η εσωτερική γεωμετρία του υποστρώματος μελετώντας τα φαινόμενα μεταφοράς, πίνακα 5.2. Ο σκοπός της συγκεκριμένης διερεύνησης στοχεύει στην ερμηνεία της συνάρτησης μεταξύ των γεωμετρικών παραμέτρων και της λειτουργίας του φίλτρου, όπως η θερμοκρασία, η πτώση πίεσης, ο βαθμός απόδοσης στο φιλτράρισμα και η αναγέννηση της αιθάλης. Η βασική λειτουργία ενός καταλυτικού φίλτρου είναι η κατακράτηση των σωματιδίων από ένα κινητήρα απευθείας έγχυσης και γι αυτό το λόγο ονομάζεται και ως «πρόσθετη συσκευή» πίσω από ένα τριοδικό καταλύτη. Από τη στιγμή που τα όρια εκπομπών για των αριθμό σωματιδίων (ΡΝ) στο Euro 6 τέθηκαν στα 6,0*10 11 #/km, ήταν αναμενόμενο να εισαχθεί η λειτουργία του φίλτρου σε βενζινοκινητήρες απευθείας έγχυσης. Πέραν της λειτουργικότητας της συσκευής, απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή της είναι η αρμονία με σύστημα του κινητήρα καθώς όπως είναι ευρέως γνωστό το φίλτρο αιθάλης επιφέρει πτώση πίεσης, η οποία είναι ανεπιθύμητη. Να σημειωθεί επίσης ότι η διερεύνηση που διεξάγεται στο προκείμενο κεφάλαιο είναι επιβεβαίωση ήδη υπάρχουσας έρευνας [8]. Γενικά σε ένα καθαρό φίλτρο, τα σωματίδια αιθάλης εναποτίθενται στο εσωτερικό του τοιχώματος καθώς εισέρχεται η ροή του καυσαερίου. Ο βαθμός εναπόθεσης για καθαρό φίλτρο εκκινεί από χαμηλές τιμές ενώ αυξάνει με την συσσώρευση της σωματιδιακή μάζας. Έπειτα εύλογο χρόνο συσσώρευσης δημιουργείται στρώμα σωματιδίων στην επιφάνεια του υποστρώματος. Το αναφερόμενο στρώμα PM αναλαμβάνει εκ νέου την λειτουργία της εναπόθεσης από το φίλτρο με αποτέλεσμα ο βαθμός κατακράτησης σωματιδίων να μεγιστοποιείται, [18]. Αναφορικά, ένας κινητήρας diesel εκπέμπει μεγάλη ποσότητα PM, η οποία συσσωρεύεται και δημιουργεί ένα στρώμα στην επιφάνεια του φίλτρου. Η δημιουργία του στρώματος PM επιφέρει υψηλό βαθμό εναπόθεσης. Εν αντιθέσει, ένας κινητήρας GDI εκπέμπει πολύ λιγότερα PM δημιουργώντας ελάχιστο έως καθόλου στρώμα ΡΜ στην επιφάνεια του GPF, με αποτέλεσμα ο σχεδιασμός της λειτουργίας εναπόθεσης στο αρχικό στάδιο καθαρό στάδιο να είναι πολύ σημαντικός για ένα GPF. Οι βασικοί παράμετροι που επιδρούν στο βαθμό της εναπόθεσης είναι η μέση διάμετρος των πόρων, το πάχος του τοιχώματος, η πυκνότητα κελιών και η ογκομετρική χωρητικότητα του φίλτρου, οι οποίες ερευνούνται, [18]. Με σκοπό να προσδιορισθεί η επίδραση της μέσης διάμετρος των πόρων στην απόδοση τη ς εναπόθεσης της σωματιδιακής μάζας, επιλέχθηκαν 3 καταλυτικά φίλτρα με διαφορετική γεωμετρική δομή στο εσωτερικό του τοιχώματος. Τα τρία διαφορετικά φίλτρα διέφεραν στη μέση διάμετρο, στο ποσοστό πορώδους και στη πυκνότητα του υποστρώματος λαμβάνοντας υπόψη τη μέση διάμετρο των πόρων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρουσιάζονται

81 80 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ στην εικόνα 5.10 στην οποία διακρίνεται η επίδραση της παραμέτρου στην απόδοση του φίλτρου στην κατακράτηση των σωματιδίων. εικόνα Διάγραμμα της επίδρασης της μέσης διαμέτρου των πόρων στην απόδοση της εναπόθεσης. Είναι εμφανή η επίδραση της παραμέτρου στην απόδοση. Επίσης, είναι εμφανές το γεγονός ότι όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος των πόρων τόσο μειώνεται ο βαθμός. Συγκεκριμένα, ο βαθμός απόδοσης για το «small» GPF είναι 71% την ίδια στιγμή που το «medium» παρουσιάζει κοντά στο 60% ενώ το GPF «large» αγγίζει το 50%. Βάσει των αποτελεσμάτων αλλά και των ήδη ερευνών στο συγκεκριμένο θέμα, με σκοπό τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης της εναπόθεσης είναι αναγκαίο να εφαρμόζεται μικρή διάμετρος πόρων για ένα GPF. Η επίδραση του πάχους τοιχώματος στην συμπεριφορά του φίλτρου στην εναπόθεση των σωματιδίων επιβεβαιώθηκε. Αναλυτικά, τρία καταλυτικά φίλτρα ίσου όγκου καταλύτη και με μικρή διάμετρο πόρων εξετάστηκαν με διαφορετική δομή κελιών για την επίπτωση στο βαθμό απόδοσης του φιλτραρίσματος. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρατίθενται στην εικόνα Η εφαρμογή ενός μεγαλύτερου πάχους τοιχώματος βελτιώνει την απόδοση της εναπόθεσης περίπου 10% σύμφωνα με τα προηγούμενα αποτελέσματα. Παρόλο αυτά, ακόμη και με μικρότερη πυκνότητα κελιών, 200cpsi/12mil, ο βαθμός απόδοσης είναι 40%. Βάσει των αποτελεσμάτων, για την καλύτερη απόδοση του φίλτρο στην εναπόθεση θα ήταν προτιμότερο να εφαρμοστεί μεγάλο πάχος τοιχώματος, αλλά λαμβάνοντας υπόψη και την ανάλογη πτώση πίεσης.

82 81 εικόνα Ποσοτικό δι άγραμμα της απόδοσης στην εναπόθεση των σωματιδίων καθώς και στις εκπομπές αριθμού σωματιδίων. Είναι εμφανή η αυξημένη απόδοση του φίλτρου με το μεγαλύτερο πάχος τοιχώματος και πυκνότητα κελιών. Κατ επέκταση, στην εικόνα 5.12 και εικόνα 5.13 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από το ποιοτικό διάγραμμα μεταξύ του βαθμού απόδοσης φιλτραρίσματος και της φόρτισης της παγίδας με αιθάλη. Το συγκεκριμένο διάγραμμα είναι σημαντικό για τον προσδιορισμό της απαραίτητης ποσότητας αιθάλης, για την οποία σχηματίζεται κέικ στο επάνω μέρος του τοιχώματος και ο βαθμός φιλτραρίσματος αγγίζει το 100%. Και για τα τρία φίλτρα μπορεί να αποδοθεί ότι για φόρτιση 1 g/l βρίσκονται στην φάση της μετάβασης όπου έχει γεμίσει σχεδόν το τοίχωμα και δημιουργείται το κέικ. εικόνα Ποιοτικό διάγραμμα απόδοσης στην εναπόθεση των σωματιδίων ως προς την φόρτιση της παγίδας με αιθάλη. Το «smal l» GPF διατηρεί σταθερά την καλύτερη απόδοση σε όλο το εύρος της πιθανής φόρτισης της παγίδας.

83 82 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ εικόνα Ποιοτικό διάγραμμα της απόδοσης στην εναπόθεση των σωματιδίων ως συνάρτηση της φόρτισης της παγίδας με αιθάλη. Το GPF με δομή 300cpsi/12mil και μικρή διάμετρο κελιών διατηρεί την καλύτερη επίδοση συγκριτικά με τα άλλα δυο. Επιπλέον, στην εικόνα 5.14 η εφαρμογή του καταλυτικού φίλτρου με αρχική φόρτιση προσομοιώνοντας ένα κύκλο NEDC δείχνει την επίδραση της αιθάλης στα φαινόμενα μεταφοράς και στην πτώση πίεσης με ξεκάθαρες διαφορές μεταξύ των διαφορετικών φορτίσεων. εικόνα Διάγραμμα πτώσης πίεσης σε mbar και η επίπτωση της φόρτισης της αιθάλης. Για φόρτιση 2 g/l καταλύτη η πτώση πίεσης για το «smal l» GPF με 300cpsi/8mil είναι περίπου στα 40 mbar. Κατανοώντας ότι στην πτώση πίεσης, πέραν των ρευστομηχανικών απωλειών συνεισφέρουν η συσσωρευμένη μάζα αιθάλης στο τοίχωμα αλλά και το κέικ που δημιουργείται στο επάνω μέρος του τοιχώματος. Το πρώτο συνεισφέρει με ένα σταθερό ποσό για όλο το εύρος λειτουργίας ενώ το δεύτερο συνεισφέρει γραμμικά καθ όσο αυξάνεται το κέικ, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα στο κομμάτι της οδήγησης με υψηλή ταχύτητα. Τέλος, στην εικόνα 5.15 παρατίθεται το ποσοτικό διάγραμμα της πτώσης πίεσης συναρτήσει της φόρτισης του καταλυτικού φίλτρου με αιθάλη.

84 83 εικόνα Ποσοτικό διάγραμμα πτώσης πίεσης σε mbar για το GPF smal l και τις τρεις διαφορετικές δομές των κελιών. Το φίλτρο με 300 cpsi/8mil επιδεικνύει την χαμηλότερη πτώση πίεσης συγκριτικά με τα άλλα δυο φίλτρα. 5.5 Επίδραση αιθάλης. Στην τελευταία υποενότητα, γίνεται μια θεωρητική διερεύνηση για την επίδραση της αιθάλης στο καταλυτικό φίλτρο σωματιδίων μέσω της θερμοκρασίας και πτώσης πίεσης. Το καταλυτικό φίλτρο που εξετάζεται έχει γεωμετρικά χαρακτηριστικά όπως παρουσιάζονται στον πίνακα 5.3. Το φίλτρο 5 όπως διερευνήθηκε στην πρώτη ενότητα του πέμπτου κεφαλαίου δεν βαθμονομήθηκε με ακρίβεια παρότι ακολουθήθηκε η μέθοδος βαθμονόμησης, παρόλο αυτά εφάρμοσε τις παραμέτρους για την πτώση πίεσης λαμβάνοντας υπόψη το σφάλμα της εφαρμογής. Στο κομμάτι της προσομοίωσης, για να υπερβληθεί το εμπόδιο της φόρτισης του φίλτρου με αιθάλη, μιας και ένας βενζινοκινητήρας GDI δεν εκπέμπει περισσότερο από 10 mg/km, προσομοιώθηκαν διαδοχικοί κύκλοι οδήγησης NEDC, σύμφωνα με την νομοθεσία, κεφάλαιο τέταρτο, ώστε να ορισθεί μια κατάσταση ισορροπίας μεταξύ φόρτισης αιθάλης και οξείδωσης. Το θεωρητικό σενάριο που σχεδιάστηκε έχει ορισμένο σφάλμα καθώς η επανάληψη κύκλων οδήγησης οδηγούν σε σταθερή θερμοκρασία μετά από εύλογο χρονικό διάστημα. Λόγω του ότι δεν υπήρχαν δεδομένα στα χέρια του διπλωματούχου για αυτή τη διερεύνηση, λήφθηκε υπόψη του σφάλμα της επανάληψης του κύκλο και αμελήθηκε. Η εφαρμογή του θεωρητικού σεναρίου είχε επιτυχία από την άποψη των γενικών προβλέψεων πράγμα που διαπιστώνει την αξιοπιστία του προγράμματος προσομοίωσης. Αρχικά κα στην εικόνα 5.16 παρουσιάζεται το διάγραμμα της θερμοκρασίας του καυσαερίου για τους πρώτους δυο κύκλους. Στην περίπτωση που προσομοιωνόταν ένας κύκλος οδήγησης τα αποτελέσματα θα αποτυπωνόντουσαν όπως στο διάγραμμα και μέχρι την κάθετη διακεκομμένη γραμμή.