ιερεύνηση εφαρµογής µεταλλικών αφρών σε διατάξεις µετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων Diesel

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ ηµήτριος Κατσαούνης ιπλωµατούχος Μηχανολόγος Μηχανικός ιερεύνηση εφαρµογής µεταλλικών αφρών σε διατάξεις µετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων Diesel ιδακτορική ιατριβή Θεσσαλονίκη, Νοέµβριος 29

2

3 ηµήτριος Κατσαούνης ιερεύνηση εφαρµογής µεταλλικών αφρών σε διατάξεις µετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων Diesel ιδακτορική διατριβή Υποβλήθηκε στο Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Ενεργειακός Τοµέας, Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής Ηµεροµηνία Προφορικής Εξέτασης: Εξεταστική επιτροπή Καθηγητής Ζήσης Σαµαράς, Καθηγητής Νικόλαος Κυριάκης, Επίκουρος Καθηγητής Γρηγόριος Κολτσάκης Επιβλέπων Μέλος Τριµελούς Συµβουλ. Επιτροπής Μέλος Τριµελούς Συµβουλ. Επιτροπής Οµότιµος Καθηγητής Κων/νος Πάττας, Καθηγητής Νικόλαος Μουσιόπουλος, Καθηγητής ηµήτριος Τσιπάς, Επίκουρος Καθηγητής Λεωνίδας Ντζιαχρήστος, Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής

4 ηµήτριος Κατσαούνης Α.Π.Θ. ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΣΕ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΜΕΤΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DIESEL ISBN «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από το Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 22, παρ. 2)

5 Στον πατέρα µου που έφυγε, στη µητέρα µου που αντέχει ακόµα και στη σύζυγο µου Μαριέτα που είναι πάντα δίπλα µου.

6

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της διατριβής, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή Γρηγόρη Κολτσάκη για τα τόσα πολλά που έµαθα και για την καθηµερινή υποστήριξη και καθοδήγηση όλα αυτά τα χρόνια που συνεργαζόµαστε. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω το διευθυντή του Εργαστηρίου Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής Καθηγητή Ζήση Σαµαρά για τη βοήθεια του, την παροχή όλων των µέσων που χρειάστηκαν για την εκπόνηση της εργασίας και την κατανόηση του στις δυσκολίες που αντιµετώπισα. Επίσης, ευχαριστώ τον Καθηγητή Νικόλαο Κυριάκη για τη συµµετοχή του στη συµβουλευτική επιτροπή. Η συνεργασία υπήρξε άψογη µε όλα τα µέλη του εργαστηρίου τα οποία και ευχαριστώ για κάθε βοήθεια που µου προσέφεραν. Επειδή όµως το µεγαλύτερο µέρος του χρόνου εργάστηκα στους χώρους των πειραµατικών µετρήσεων, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον ρ. Παναγιώτη Πιστικόπουλο, τον Αργύρη Τζιλβελή και τον Θανάση Παπαζαχαρία οι οποίοι στηρίζουν τη λειτουργία του εργαστηρίου µε την ψυχή τους. Πάντα είχαν µια λύση στις προκλήσεις των µετρήσεων και πάντα έδειχναν ατελείωτη διάθεση να προσφέρουν τη βοήθεια τους. Ακόµα, πρέπει να πω ένα ιδιαίτερο ευχαριστώ στον ρ. Ηλία Βουίτση για τη βοήθεια του κατά τη συγγραφή της διατριβής αλλά και γιατί έµαθα πολλά από τις απολαυστικές συζητήσεις µας. εν θα ήταν δυνατό βέβαια να µην ευχαριστήσω αυτούς µε τους οποίους µοιράστηκα το ίδιο γραφείο για αρκετά χρόνια όπως ο ρ. Ονούφριος Χαραλάµπους, ο ρ. ηµήτρης Τσίνογλου, ο ρ. Νίκος Μαργαρίτης και ο υπ. διδακτ. Γιάννης Μαρκοµανωλάκης. Ιδιαίτερα θέλω να ευχαριστήσω τον ρ. Χρήστο αρδιώτη και τη ρ. Μάρω Καλογήρου οι οποίοι µε βοήθησαν πολύ στη διεξαγωγή και στην επεξεργασία των πειραµατικών µετρήσεων. Ακόµα, οφείλω να ευχαριστήσω το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών για τη χρηµατοδότηση της διατριβής. Οι τελευταίοι που θα ευχαριστήσω είναι και οι πιο σηµαντικοί για µένα. Ευχαριστώ τους γονείς µου που µε βοηθούσαν πάντα παραπάνω από όσο µπορούσαν. Επίσης ευχαριστώ τους κοντινούς µου φίλους Μιχάλη, Παναγιώτη και Σταύρο που µε στήριξαν και έκαναν εξαιρετικά ευχάριστες τις ώρες εκτός εργασίας. Πάνω από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τη σύζυγο µου Μαριέτα που ήταν πάντα δίπλα µου σε όλες τις ευχάριστες αλλά και τις δύσκολες στιγµές.

8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία µελετά τη δυνατότητα εφαρµογής του µεταλλικού αφρού σε συστήµατα µετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων diesel. Το πρώτο τµήµα της διατριβής περιγράφει τις ιδιότητες του µεταλλικού αφρού, και κάνει µια σύγκριση µε τα υλικά που χρησιµοποιούνται σε αντίστοιχες εφαρµογές. Επιχειρείται µια εισαγωγή στις έννοιες του οξειδωτικού καταλύτη και του φίλτρου αιθάλης που είναι και τα βασικά στοιχεία ενός σύγχρονου συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου. Γίνεται µια συνοπτική παρουσίαση της αρχής λειτουργίας τους και των τεχνολογιών που χρησιµοποιούνται έτσι ώστε ο µη εξοικειωµένος µε το αντικείµενο αναγνώστης να µπορέσει να εισαχθεί στο πνεύµα του κειµένου. Το πρώτο βασικό τµήµα της εργασίας διερευνά την χρήση του αφρού ως υποστρώµατος οξειδωτικού καταλύτη. Για αυτό το σκοπό, χρησιµοποιείται µια πρωτότυπη διάταξη µικρής κλίµακας για τη διεξαγωγή βασικών διερευνήσεων. Αρχικά µελετάται η επίδραση της παροχής καυσαερίου στην καταλυτική απόδοση και η ικανότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων. Ακόµα εξετάζεται η επίδραση των χαρακτηριστικών της επίστρωσης (συγκέντρωση πολύτιµων µετάλλων και επίστρωσης, µέθοδος επίστρωσης) στην οξειδωτική δράση. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι πρωτότυποι οξειδωτικοί καταλύτες από αφρό οι οποίοι αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Η πειραµατική αξιολόγηση των πρωτοτύπων έγινε σε κινητήρα και πιο συγκεκριµένα µελετήθηκε η επίδραση της παροχής καυσαερίου και η καταλυτική απόδοση διαφόρων επιστρώσεων. Ακολουθεί η αξιολόγηση πρωτοτύπων καταλυτών σε όχηµα µε µέτρηση εκποµπών ρύπων σε κύκλους οδήγησης. Για λόγους σύγκρισης η ίδια διαδικασία πραγµατοποιήθηκε και µε κεραµικό καταλύτη διαµπερούς ροής. Το έτερο πολύ βασικό κοµµάτι της διατριβής είναι η µελέτη της εφαρµογής του αφρού ως υποστρώµατος φίλτρου αιθάλης. Και εδώ πραγµατοποιούνται βασικές διερευνήσεις στη διάταξη µικρής κλίµακας και σε προσαρµοσµένη διάταξη στον κινητήρα. Κυριότερα αντικείµενα µελέτης αποτελούν ο βαθµός απόδοσης διήθησης, η πτώση πίεσης, η κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης, η συµπίεση και η διαφυγή της αιθάλης. Οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από τις βασικές διερευνήσεις αξιοποιούνται στην ανάπτυξη πρωτότυπων φίλτρων αιθάλης από αφρό. Τα πρωτότυπα αξιολογούνται σύµφωνα µε µία τυποποιηµένη πειραµατική διαδικασία µε κύριους στόχους τη µελέτη του βαθµού απόδοσης διήθησης, της πτώσης πίεσης, της συµπίεσης και ανακατανοµής της αιθάλης, την κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης και το µέγιστο όριο φόρτισης για ασφαλή αναγέννηση σε όλες τις συνθήκες. Ακόµα πραγµατοποιείται µια πρώτη προσπάθεια υπολογισµού της φόρτισης από τις συνθήκες του καυσαερίου και την πτώση πίεσης του φίλτρου και δοκιµάζεται µια τεχνική µείωσης του διαφεύγοντος ΝΟ 2. Τέλος, αξιολογείται η καταλυτική απόδοση των πρωτοτύπων και γίνεται µια σύγκριση της συνολικής απόδοσης όλων των φίλτρων από αφρό µε κεραµικά φίλτρα ροής τοιχώµατος. Η αξιολόγηση των φίλτρων συνεχίζεται σε όχηµα diesel για νοµοθετηµένους κύκλους οδήγησης, αλλά και σε πραγµατικές συνθήκες χρήσης.

10 Το τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής περιγράφει την αξιολόγηση ενός ολοκληρωµένου συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου από µεταλλικό αφρό. Το εργοστασιακό σύστηµα ενός οχήµατος προδιαγραφών ρύπων Euro 4, που αποτελείται από ένα προκαταλύτη και έναν κύριο καταλύτη αντικαθίσταται από ένα σύστηµα προκαλύτη και φίλτρου αιθάλης από αφρό. Στόχος είναι επίτευξη των ορίων Euro 4 και Euro 5 χωρίς καµία µετατροπή στη λειτουργία του κινητήρα του οχήµατος. Οι πειραµατικές µετρήσεις πραγµατοποιούνται σε κύκλους οδήγησης NEDC σύµφωνα µε τη µέθοδο έγκρισης τύπου και µε ταυτόχρονες συµπληρωµατικές στιγµιαίες µετρήσεις εκποµπών αέριων ρύπων και σωµατιδίων. Οι µετρήσεις επικεντρώνονται στην οξειδωτική απόδοση του συστήµατος όσον αφορά το CO και τους υδρογονάνθρακες αλλά και στις επιπτώσεις στην αναλογία NO 2 /NOx και στις συνολικές εκποµπές NOx. Επιπλέον, αξιολογούνται οι µετρήσεις πτώσεις πίεσης και κατανάλωσης καυσίµου. Ιδιαίτερα σηµαντικές είναι οι µετρήσεις των εκποµπών µάζας και αριθµού σωµατιδίων λόγω των πρόσφατα θεσµοθετηµένων προδιαγραφων Euro 5 οι οποίες µειώνουν σηµαντικά το επιτρεπόµενο όριο εκποµπών µάζας και θέτουν όριο στις εκποµπές αριθµού σωµατιδίων. Τέλος, το σύστηµα αφρού αξιολογείται κατά την οδήγηση του οχήµατος σε πραγµατικές συνθήκες οδήγησης και για λόγους σύγκρισης αντίστοιχη δοκιµή γίνεται και µε κεραµικό φίλτρο αιθάλης.

11 ABSTRACT The present thesis studies the possibility of using metal foam in diesel exhaust aftertreatment systems. The introductory section describes the properties of the metal foam and makes a comparison with the ceramic materials used as substrates of aftertreatment devices. In order to introduce the non-familiar reader, the first chapter includes a short description of the Diesel Oxidation Catalyst (DOC) and the Diesel Particulate Filter (DPF). The second section studies the use of metal foam as a substrate for DOC applications. For this purpose, a customized small scale experimental setup was used for fundamental investigations. The effect of exhaust flow rate on catalytic activity and the capacity of hydrocarbon adsorption was thoroughly investigated. Experimental research went on to clarify the effects of coating characteristics (Pt and washcoat loading, pore size, coating method) on conversion efficiency. The experience from fundamental investigations was used to develop a number of prototype foam catalysts. The prototypes were experimentally evaluated on an engine bench to define the effect of exhaust flow rate on catalytic activity and a direct comparison was done with a cordierite flow through DOC. Various catalytic coatings were evaluated to select the most suitable for DOC applications. Finally, the prototypes and the ceramic DOC are evaluated on a diesel vehicle over legislated driving cycles. The next section studies the use of metal foam as a substrate for DPF applications. Fundamental investigations were carried out regarding the filtration efficiency, pressure drop, soot loading distribution, soot compression and blow off. Based on that experience, a number of prototype foam filters were developed. All prototypes were tested according to the same evaluation procedure for comparison reasons. The target of the evaluation was to characterize the filters in terms of filtration efficiency, pressure drop, soot compression and maximum soot loading for safe regeneration. A first attempt was done to find an inverse calculation of soot loading given the exhaust flow rate, temperature and the pressure drop of the filter. In order to reduce NO 2 slip, a new filter design was implemented and tested. All prototypes were tested to evaluate their catalytic efficiency. The same evaluation procedure was carried out with two SiC wall flow filters for comparison. Finally, the foam and ceramic filters were installed on a modern diesel vehicle and were tested over legislated driving cycles. Selected prototypes were tested on real road driving conditions. The last chapter of the thesis focuses on the evaluation of a complete foam aftertreatment system which consisted of a close coupled precatalyst and an underfloor particulate filter. This system replaced the original one (which had precatalyst and a main catalyst) on a Euro 4 diesel vehicle without any engine modifications. The target was to investigate the ability of the foam system to reduce the gaseous and soot emissions below the Euro 4 and Euro 5 limits. Emission measurements were carried out over NEDC driving cycles according to the legislated method, but also complementary instantaneous

12 measurements were done regarding both gaseous and particle mass and number emissions. The main points of attention are the CO and hydrocarbon reduction efficiency, the effect of the new system on NO 2 /NOx ratio and total NOx emissions, precatalyst and filter P and fuel consumption. The most important aspect of the evaluation measurements was the soot mass and number emissions due to the very low limit that will be set by the Euro 5 standards. After the end of evaluation over the driving cycles, the foam system was tested under real road driving conditions in comparison with a SiC wall flow filter.

13 Περιεχόµενα 1 Εισαγωγή Αντικείµενο και στόχοι της εργασίας Πρωτοτυπίες της εργασίας Μεταλλικός αφρός και συστήµατα µετεπεξεργασίας καυσαερίου diesel Μεταλλικός αφρός Ιδιότητες µεταλλικού αφρού Συστήµατα µετεπεξεργασίας καυσαερίου Οξειδωτικός καταλύτης Φίλτρο αιθάλης Ανοιχτά φίλτρα Σύγκριση του µεταλλικού αφρού µε άλλα υλικά Ο µεταλλικός αφρός ως υπόστρωµα οξειδωτικού καταλύτη ιερεύνηση βασικών παραµέτρων λειτουργίας Επίδραση της παροχής καυσαερίου Χαρακτηρισµός επιστρώσεων Προσρόφηση υδρογονθράκων Πρωτότυποι οξειδωτικοί καταλύτες Αξιολόγηση πρωτότυπων καταλυτών στον κινητήρα Χαρακτηρισµός καταλυτικής απόδοσης Επίδραση της παροχής καυσαερίου Αξιολόγηση πρωτότυπων καταλυτών σε όχηµα Συµπεράσµατα Ο µεταλλικός αφρός ως υπόστρωµα φίλτρου αιθάλης ιερεύνηση βασικών παραµέτρων λειτουργίας Βαθµός απόδοσης διήθησης Πτώση πίεσης Κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης Συµπίεση-ανακατανοµή-διαφυγή της αιθάλης Μέτρηση του ρυθµού αναγέννησης ιερεύνηση άµεσης καταλυτικής αναγέννησης Πρωτότυπα φίλτρα αιθάλης ιερεύνηση λειτουργίας πρωτοτύπων σε κινητήρα... 13

14 4.3.1 ιαδικασία αξιολόγησης Επίδραση της συµπίεσης-ανακατανοµής της αιθάλης Επίδραση της ταχύτητας καυσαερίου και της φόρτισης στο βαθµό απόδοσης διήθησης Κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης Μέγιστο όριο φόρτισης για ασφαλή αναγέννηση Yπολογισµός φόρτισης αιθάλης Μείωση του διαφεύγοντος NO Καταλυτική απόδοση Σύγκριση της απόδοσης των πρωτότυπων φίλτρων από αφρό ιερεύνηση λειτουργίας πρωτοτύπων σε δυναµόµετρο οχηµάτων ιερεύνηση λειτουργίας πρωτοτύπων σε πραγµατικές συνθήκες χρήσης Συµπεράσµατα Εφαρµογή συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου από µεταλλικό αφρό Περιγραφή του οχήµατος δοκιµών και των διαµορφώσεων του συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου ιαδικασία µέτρησης εκποµπών ρύπων Μετρήσεις εκποµπών CO και υδρογονανθράκων Μετρήσεις εκποµπών σωµατιδίων Μετρήσεις εκποµπών NOx Μετρήσεις πτώσης πίεσης Συµπεράσµατα Σύνοψη συµπερασµάτων και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα Σύνοψη-συµπεράσµατα Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα Βιβλιογραφικές αναφορές Παράρτηµα Εξοπλισµός εργαστηρίου Κινητήρες Οχήµατα Αναλυτές καυσαερίου Όργανα µέτρησης σωµατιδίων Πρόσθετος εξοπλισµός Πειραµατικές διατάξεις... 22

15 8.2.1 Πειραµατική διάταξη κινητήρα Πειραµατική διάταξη µικρής κλίµακας Πειραµατική διάταξη οχήµατος Πίνακας συµβολισµών... 28

16

17 1 1 Εισαγωγή Αντικείµενο και στόχοι της εργασίας Τα σηµερινά πετρελαιοκίνητα οχήµατα έχουν σηµαντικά µειωµένες εκποµπές αέριων ρύπων και σωµατιδίων σε σχέση µε παλιότερα, λόγω της βελτίωσης της τεχνολογίας των οχηµάτων και της νοµοθεσίας που υποχρεώνει τους κατασκευαστές να κινηθούν προς αυτή την κατεύθυνση. Τα επιτρεπόµενα επίπεδα εκποµπών σωµατιδίων είναι πλέον τόσο χαµηλά, ώστε οι κατασκευαστές υποχρεώνονται να εξοπλίσουν όλα τα οχήµατα diesel µε φίλτρα αιθάλης. Αυτό συνεπάγεται ένα πλήθος τεχνολογικών και οικονοµικών προκλήσεων, αφού το σύστηµα µετεπεξεργασίας καυσαερίου έχει ήδη ενσωµατωθεί στο συνολικό σχεδιασµό του οχήµατος. Έτσι, οι κατασκευαστές αναζητούν συνεχώς πιο αποδοτικές και αξιόπιστες λύσεις µε χαµηλότερο κόστος. Σε αυτά τα πλαίσια υπάρχει έντονο επιστηµονικό ενδιαφέρον για νέα υλικά και νέες τεχνολογίες. Εδώ εντάσσεται και η ερευνητική δραστηριότητα της παρούσας εργασίας η οποία έχει ως αντικείµενο την εφαρµογή του µεταλλικού αφρού στα συστήµατα µετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων diesel. Πιο συγκεκριµένα, µελετάται πειραµατικά η συµπεριφορά του αφρού ως υποστρώµατος οξειδωτικού καταλύτη και φίλτρου αιθάλης. ιερευνώνται οι βασικές παράµετροι λειτουργίας, έτσι ώστε η απόκτηση της κατάλληλης εµπειρίας και γνώσης να επιτρέψει τη δηµιουργία πρωτότυπων συσκευών αντιρρύπανσης από αφρό. Ένα σηµαντικό τµήµα της διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και την αξιολόγηση και αυτών των πρωτοτύπων. Τελευταίο και ίσως πιο σηµαντικό κοµµάτι της εργασίας είναι η πειραµατική αξιολόγηση των δυνατοτήτων ενός ολοκληρωµένου συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου από µεταλλικό αφρό σε πραγµατικές συνθήκες. εδοµένου ότι το υλικό είναι εντελώς νέο στη συγκεκριµένη εφαρµογή, γίνεται αντιληπτό ότι η διατριβή πρέπει να διερευνήσει ένα µεγάλο πλήθος παραµέτρων που σχετίζονται µε τη συµπεριφορά και την απόδοση του µεταλλικού αφρού ως υποστρώµατος συσκευών µετεπεξεργασίας καυσαερίου. Μια τέτοια διαδικασία θα πρέπει να έχει σαφείς στόχους, οι οποίοι και συνοψίζονται παρακάτω. Βασικές διερευνήσεις της λειτουργίας του µεταλλικού αφρού ως υποστρώµατος οξειδωτικού καταλύτη. Οι κυριότεροι στόχοι ήταν ο χαρακτηρισµός της απόδοσης των καταλυτικών επιστρώσεων, η ικανότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων και η επίδραση της παροχής καυσαερίου. Αξιοποίηση των βασικών διερευνήσεων στην ανάπτυξη πρωτότυπων καταλυτών από µεταλλικό αφρό. Πειραµατική αξιολόγηση των πρωτοτύπων µε κύριους στόχους τη µελέτη της καταλυτικής απόδοσης, της επίδρασης της παροχής καυσαερίου και την άµεση σύγκριση µε κεραµικούς καταλύτες διαµπερούς ροής. Βασικές διερευνήσεις της λειτουργίας του µεταλλικού αφρού ως φίλτρου αιθάλης. Οι κυριότεροι στόχοι ήταν η µελέτη του βαθµού απόδοσης διήθησης, της πτώσης πίεσης,

18 2 της κατανοµής της σωµατιδιακής φόρτισης καθώς και η συµπίεση και διαφυγή της αιθάλης. Αξιοποίηση των βασικών διερευνήσεων στην ανάπτυξη πρωτότυπων φίλτρων από µεταλλικό αφρό. Πειραµατική αξιολόγηση των πρωτοτύπων µε κύριους στόχους τη µελέτη του βαθµού απόδοσης διήθησης, της πτώσης πίεσης, τη συµπίεση και διαφυγή της αιθάλης και την καταλυτική απόδοση. Αξιολόγηση ενός ολοκληρωµένου συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου από µεταλλικό αφρό σε σύγχρονο όχηµα diesel. Κύριος στόχος ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας επίτευξης των ορίων εκποµπών ρύπων Euro 4 και Euro 5 χωρίς καµία αλλαγή στον κινητήρα. Σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να τονιστεί ότι ένα µεγάλο τµήµα της εργασίας αποτέλεσε ταυτόχρονα και κοµµάτι ενός ευρύτερου ερευνητικού προγράµµατος που χρηµατοδοτήθηκε από την εταιρεία INCO Special Products. Η συγκεκριµένη ερευνητική δραστηριότητα ήταν µια δυναµική διαδικασία στην οποία γινόταν συνεχής ανταλλαγή πληροφοριών και στοιχείων µεταξύ διάφορων ερευνητικών περιοχών όπως παρουσιάζεται συνοπτικά στην Εικόνα 1-1. Το πειραµατικό τµήµα της διαδικασίας εντάσσεται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, ενώ η έρευνα της προµηθεύτριας εταιρείας που κατασκευάζει τους αφρούς και η υπολογιστική διερεύνηση είναι εκτός των πλαισίων της διατριβής. Η πειραµατική διερεύνηση βασικών παραµέτρων λειτουργίας παρέχει δεδοµένα στο σχεδιασµό και την αξιολόγηση των πρωτοτύπων και αντίστροφα. Ταυτόχρονα, η κατασκευάστρια εταιρεία παίρνει ως δεδοµένα εισόδου τα πειραµατικά και υπολογιστικά αποτελέσµατα και προσπαθεί να βελτιώσει τις ιδιότητες του υλικού (πτώση πίεσης, αντοχή στην οξείδωση, καταλυτικές επιστρώσεις και άλλα). Η υπολογιστική διερεύνηση περιλαµβάνει τόσο τη βαθµονόµηση (από τα πειραµατικά δεδοµένα) και τη χρήση του λογισµικού προσοµοίωσης που διαθέτει το ΕΕΘ (µαθηµατικό µοντέλο λειτουργίας συσκευών από αφρό Axifoam), όσο και τη χρήση λογισµικού υπολογιστικής ρευστοµηχανικής CFD µε στόχο την υποστήριξη των πειραµάτων, της βελτίωσης του υλικού και του σχεδιασµού των πρωτοτύπων.

19 3 Εικόνα 1-1 ιαδικασία ανάπτυξης συστηµάτων µετεπεξεργασίας καυσαερίου από µεταλλικό αφρό 1.2 Πρωτοτυπίες της εργασίας Βασικό στοιχείο πρωτοτυπίας της παρούσας εργασίας είναι ότι µελετά ένα υλικό το οποίο δεν έχει χρησιµοποιηθεί έως τώρα σε εφαρµογές µετεπεξεργασίας καυσαερίου. Αποτελεί την πρώτη διατριβή η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής (ΕΕΘ) και ασχολείται µε ένα µεταλλικό υλικό ως υπόστρωµα συσκευών αντιρρύπανσης αφού έως τώρα το αντικείµενο µελέτης προηγούµενων διατριβών ήταν τα κεραµικά υποστρώµατα. Οι πρωτοτυπίες της παρούσας διδακτορικής εργασίας συνοψίζονται στα παρακάτω σηµεία: ιερεύνηση της δυνατότητας χρήσης του µεταλλικού αφρού σε διατάξεις µετεπεξεργασίας καυσαερίου diesel, ο οποίος αποτελεί ένα νέο υλικό στη συγκεκριµένη εφαρµογή. Ανάπτυξη πρωτότυπης πειραµατικής διάταξης µικρής κλίµακας η οποία σε σχέση µε άλλες αντίστοιχες που έχουν αναφερθεί σε δηµοσιευµένες εργασίες πλεονεκτεί λόγω της δυνατότητας πλήρους ελέγχου όλων των συνθηκών του πειράµατος σε ροή τόσο πραγµατικού καυσαερίου diesel όσο και συνθετικού αερίου. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα αξιολόγησης δοκιµίων από αφρό αλλά και κεραµικών υποστρωµάτων. Η διάταξη παρέχει τη δυνατότητα φόρτισης µικρών δίσκων αφρού µε αιθάλη από το καυσαέριο του κινητήρα και τη µέτρηση της κατανοµής της φόρτισης. Επίσης είναι δυνατή η διεξαγωγή ενός µεγάλου εύρους διαφορετικών πειραµάτων όπως µέτρηση του ρυθµού αναγέννησης, µέτρηση της πτώσης πίεσης, δοκιµές διαφυγής αιθάλης και αξιολόγησης της καταλυτικής απόδοσης.

20 4 Ανάπτυξη ευέλικτου συστήµατος αξιολόγησης φίλτρων από µεταλλικό αφρό στον κινητήρα µε δυνατότητα χρήσης µεταβλητού βάθους διήθησης, µεταβλητού µεγέθους πόρων, µεταβλητής καταλυτικής επίστρωσης και επίσης δυνατότητα µέτρησης της κατανοµής της φόρτισης. Ανάπτυξη µεθόδων πειραµατικής αξιολόγησης όλων των παραµέτρων λειτουργίας του οξειδωτικού καταλύτη και του φίλτρου αιθάλης. Ανάπτυξη πρωτότυπων συσκευών αντιρρύπανσης. Λόγω της διαφορετικής δοµής του υλικού κατασκευάστηκαν και µελετήθηκαν συσκευές µε διαφορετική διαµόρφωση ροής από ότι οι οξειδωτικοί καταλύτες διαµπερούς ροής και τα φίλτρα αιθάλης ροής τοιχώµατος. Σε αυτά τα πλαίσια δοκιµάστηκαν κάποιες διαφορετικές διαµορφώσεις ροής καυσαερίου όπως η ακτινική ροή, η σταυρωτή ροή και η διπλή ακτινική ροή. Επίσης, εφαρµόστηκαν διαµορφώσεις µεταβλητού µεγέθους πόρων και µεταβλητής καταλυτικής επίστρωσης. Σύγκριση διαφορετικών τεχνολογιών συσκευών αντιρρύπανσης. Οι πρωτότυποι καταλύτες από αφρό συγκρίνονται µε τους κεραµικούς οξειδωτικούς καταλύτες διαµπερούς ροής και τα πρωτότυπα φίλτρα από αφρό µε τα κεραµικά φίλτρα ροής τοιχώµατος. Πειραµατική αξιολόγηση ενός ολοκληρωµένου συστήµατος µετεπεξεργασίας καυσαερίου από µεταλλικό αφρό σε σύγχρονο όχηµα diesel. Το πλήθος και το εύρος των πειραµατικών αποτελεσµάτων αποτελούν µια επαρκέστατη βάση για την βαθµονόµηση και την βελτίωση του υπάρχοντος υπολογιστικού µοντέλου προσοµοίωσης λειτουργίας του µεταλλικού αφρού που διαθέτει το εργαστήριο.

21 5 2 Μεταλλικός αφρός και συστήµατα µετεπεξεργασίας καυσαερίου diesel 2.1 Μεταλλικός αφρός Ο µεταλλικός αφρός νικελίου είναι ένα ελαφρύ πορώδες υλικό µε αντοχή στις υψηλές θερµοκρασίες και την οξείδωση. Είναι πολύ ευέλικτο στην κατασκευή του καθώς µπορεί παραχθεί σε διαφορετικά µεγέθη πόρων και διαφορετικό πάχος ανάλογα µε τις απαιτήσεις της εφαρµογής. Ο µεταλλικός αφρός έχει πόρους δωδεκαεδρικής γεωµετρίας και η δοµή του είναι πολύ καλύτερης ακρίβειας και µε πολύ λιγότερες ατέλειες σε σχέση µε τους κεραµικούς αφρούς αφού δεν υπάρχουν κλειστοί πόροι [1]. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί σε πολλές εφαρµογές όπως εναλλάκτες θερµότητας, συστήµατα ψύξης, απορρόφηση µηχανικής ενέργειας, διάχυση ροής, κυψέλες καυσίµου, οµογενοποίηση ροής, στοιχεία κατασκευών χαµηλού βάρους, αεροναυπηγική τεχνολογία, κατάλυση, βελτίωση πυραντοχής, µείωση θορύβου, µπαταρίες και βιοµηχανικά φίλτρα [2-5]. Η κατασκευή του µεταλλικού αφρού γίνεται επιµεταλλώνοντας µια βάση από πολυουρεθάνη µε νικέλιο. Στη συνέχεια, αποµακρύνεται η πολυουρεθάνη µε µια διαδικασία πυρόλυσης αφήνοντας έτσι µόνο τον αφρό νικελίου ο οποίος έχει πόρους δωδεκαεδρικής γεωµετρίας. Ακολουθεί µια µεταλλουργική διαδικασία (Εικόνα 2-1), κατά την οποία προστίθεται ένα ειδικό συνθετικό υλικό (binder), το οποίο θα συγκρατήσει οµοιόµορφα τη σκόνη κραµάτων (powder alloy) που θα ψεκαστεί στη συνέχεια επάνω στον αφρό (βήµα 1). Με µια θερµική επεξεργασία πυροσυσσωµάτωσης (sintering) το συνδετικό υλικό αποµακρύνεται (βήµα 2) και η σκόνη διαχέεται µέσα στον αφρό (βήµα 3) δηµιουργώντας ένα οµοιογενές υπερκράµα (βήµα 4). Η διαδικασία αυτή επιτρέπει την παραγωγή αφρού σε λεπτά φύλλα και σε µεγάλο εύρος µεγέθους πόρων ανάλογα µε τη βάση πολυουρεθάνης που χρησιµοποιήθηκε. Το πάχος του αφρού µπορεί να αυξηθεί µε επεξεργασία πυροσυσσωµάτωσης πολλών στοιβαγµένων φύλλων αφρών.

22 6 Βύθιση αφρού Ni στο διάλυµα συνδετικού υλικού Επικάλυψη µε την ειδική σκόνη κραµάτων Θερµική κατεργασία πυροσυσσωµάτωσης (sintering) Ni foam Σκόνη κραµάτων ιαχωριστής Φούρνος Αφρός Ni µε συνδετικό διάλυµα ιάλυµα Συνδετικού υλικου Κραµατοποιηµένος αφρός Εικόνα 2-1 ιαδικασία κραµατοποίησης [2] Υπάρχουν διάφορες τεχνικές βελτίωσης της αντοχής του αφρού στην οξείδωση και το τελικό υπερκράµα εξαρτάται από τη σκόνη κραµάτων που θα διαλέξει ο κατασκευαστής ανάλογα µε την εφαρµογή. Ο κραµατοποιηµένος αφρός έχει βελτιωµένες ιδιότητες όπως αυξηµένη µηχανική αντοχή και αντοχή στις υψηλές θερµοκρασίες, καλύτερη αντίσταση στην οξείδωση και συµβατότητα µε τις καταλυτικές επικαλύψεις. Επιπλέον, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2-2, η επιφάνεια του είναι πολύ πιο τραχιά από τον αφρό νικελίου και έτσι έχει µεγάλη ειδική επιφάνεια [2, 3, 5]. Το υλικό του µεταλλικού αφρού τους οποίους µελετά η εργασία είναι κατασκευασµένοι από την εταιρεία INCO και η ονοµασία του είναι INCOFOAMHighTemp. Βασίζεται στο νικέλιο και είναι υπερκράµα σε πολλές διαφορετικές εκδοχές ανάλογα µε τις απαιτήσεις της εφαρµογής [1-3]. Εάν απαιτείται από την εφαρµογή µπορεί εύκολα να γίνει επικάλυψη του αφρού µε ειδική καταλυτική επίστρωση (washcoat) όπως γίνεται και στα κεραµικά

23 7 υποστρώµατα των καταλυτών και των φίλτρων αιθάλης. Η µέθοδος που χρησιµοποιείται συνήθως είναι εµποτισµός του αφρού σε υγρό διάλυµα που περιέχει την καταλυτική επίστρωση και στη συνέχεια θέρµανση για στερεοποίηση της. Εικόνα 2-2 Αφρός νικελίου (α) και κραµατοποιµένος αφρός (β) [2] Ιδιότητες µεταλλικού αφρού Ο συγκεκριµένος αφρός που µελετάει η εργασία χαρακτηρίζεται ως αφρός ανοιχτών πόρων βασισµένος στο νικέλιο µε αντοχή στις υψηλές θερµοκρασίες και στην διάβρωση. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι ο αφρός ανοιχτών πόρων κατασκευάζεται µε επιµετάλλωση από βάση πολυουρεθάνης όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 2.1, ενώ ο αφρός κλειστών πόρων κατασκευάζεται µε διάχυση αερίου σε τηγµένο µέταλλο και δεν είναι διαπερατός από ρευστά. Αυτό βέβαια δεν σηµαίνει απαραίτητα ότι µπορεί να αποτελέσει υπόστρωµα µόνο για φίλτρα διαµπερούς ροής ή ανοιχτά φίλτρα. Αν το µέγεθος πόρων που θα

24 8 χρησιµοποιηθεί είναι αρκετά µικρό, τότε µπορεί να κατασκευαστεί κλειστό φίλτρο που θα έχει παρόµοια συµπεριφορά µε τα φίλτρα ροής τοιχώµατος δηλαδή θα στοµώνει σε υπερβολικά µεγάλη φόρτιση. Η Εικόνα 2-3 δείχνει φωτογραφίες SEM (Scanning electron microscope) του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ από αφρούς Inconel µε µέγεθος πόρων 45 και 8 µm. 45 µm (a) 8 µm (b) Εικόνα 2-3 Μεταλλικός αφρός µεγέθους πόρων 45 µm (α), 8 µm (β) [1] (Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας) Για τον ίδιο τύπου αφρού, η Εικόνα 2-4 παρουσιάζει συγκριτικά την επίστρωση αλουµίνας (γ-al2o3) και ζεολίθου (zeolite) που είναι πολύ κοινές στα καταλυτικά φίλτρα αιθάλης.

25 9 Εικόνα 2-4 Αφρός µε καταλυτική επίστρωση αλουµίνας (αριστερά) και ζεολίθου (δεξιά) (Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας) Ο Πίνακας 1 παραθέτει τις κυριότερες ιδιότητες του µεταλλικού αφρού, το εύρος τους και ποιο χαρακτηριστικό του επηρεάζουν. Όπως δείχνει και το πολύ µεγάλο εύρος στις ιδιότητες του είναι ένα ευέλικτο υλικό που µπορεί να διαµορφωθεί ανάλογα µε τις απαιτήσεις σε πολλές διαφορετικές εκδοχές. Για παράδειγµα, όπως θα αναφερθεί παρακάτω, µπορεί να είναι αρκετά εύκαµπτος ώστε να µπορεί να τυλιχθεί γύρω από ένα σωλήνα. Αυτό κάνει τον αφρό νικελίου πολλά υποσχόµενο υλικό για να προσαρµοστεί στις συνθήκες του καυσαερίου diesel και στις απαιτήσεις των συστηµάτων αντιρρύπανσης.

26 1 Πίνακας 1 [2] Ιδιότητα Εύρος Επίδραση Μέγεθος πόρων 2 µm 2 mm Πτώση πίεσης, βαθµός απόδοσης διήθησης βάθους Πορώδες 95% max Χαρακτηριστικά ροής, πτώση πίεσης Πυκνότητα kg/m 3 (Ni) kg/m 3 ( Inconel, FeNiCrAl) Μηχανική αντοχή, αντίσταση στην οξείδωση, ανθεκτικότητα Πάχος 1 5 mm (ανάλογα το µέγεθος πόρων) Ευκολία στην κατασκευή, κόστος Σύσταση κράµατος Inconel, Monel, NiAl, NiAlCr, FeNiAlCr (βιοµηχανικά υπερκράµατα βασισµένα στο νικέλιο) Αντοχή στη θερµοκρασία και την οξείδωση, ευκολία επίστρωσης, θερµική και ηλεκτρική αγωγιµότητα, µαγνητικές ιδιότητες, µηχανική αντοχή Ο Πίνακας 2 παρουσιάζει τα δεδοµένα για τις ιδιότητες του αφρού νικελίου, Inconel και FeNiCrAl για διάφορα µεγέθη πόρων. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η πυκνότητα του αφρού νικελίου αυξάνεται µε την διαδικασία κραµατοποίησης και ότι η αναλογία της µάζας σκόνης κραµάτων που προστέθηκε προς τη συνολική µάζα του αφρού είναι συνήθως 59-67%. Μια ενδεικτική σύσταση κραµατοποιηµένου αφρού (FeNiCrAl) είναι 22.5% Fe, 49.6 % Ni, 22% Cr και 6% Al [2]. Το µεγάλο πορώδες θα µπορούσε να αξιοποιηθεί για να επιτευχθεί χαµηλή πτώση πίεσης. Το σηµείο τήξης του υλικού θεωρείται ικανοποιητικό για εφαρµογές σε καυσαέριο diesel όπου αναπτύσσονται υψηλές θερµοκρασίες. Πίνακας 2 Ιδιότητες µεταλλικών αφρών [2, 6, 7] Ni Inconel FeNiCrAl Μέσο µέγεθος πόρων [µm] Πάχος [mm] Πυκνότητα [kg/m 3 ] Πυκνότητα [kg/m 3 ] Πυκνότητα [kg/m 3 ] Πορώδες % Ειδική επιφάνεια [m 2 /l] Θερµική αγωγιµότητα [W/mK] C p [J/kgK] 1-4 C Σηµείο τήξης [ C] 1-4 C Οι κατανοµές των διαµέτρων των ακµών των δωδεκαεδρικών πόρων για αφρούς µε διαφορετικό µέσο µέγεθος πόρων παρουσιάζονται στην Εικόνα 2-5, από δεδοµένα που παραχωρήθηκαν από την κατασκευάστρια εταιρεία. Παρατηρείται ότι όσο µεγαλύτερο το µέγεθος των πόρων τόσο µεγαλύτερη και η διάµετρος των ακµών. Η κορυφή της κατανοµής των διαµέτρων για τον αφρό 45µm είναι 49µm, για τα 58µm είναι 61µm, για τα 8µm είναι 68µm και για τα 12µm είναι 72µm.

27 µm 58µm 8µm 12µm Συχνότητα % ιάµετρος [µm] Εικόνα 2-5 Κατανοµή της διαµέτρου των ακµών των πόρων (INCO Special Products) Η εταιρεία κατασκευής του αφρού αναφέρει κάποιες δοκιµές σχετικά µε την αντίσταση στην οξείδωση σε συνθήκες που προσοµοιώνουν το καυσαέριο diesel (12% CO 2, 1% H 2 O, 6% O 2, 2ppm SO 2 σε Ν 2 ). Οι δοκιµές έγιναν µε θέρµανση διαφόρων κραµάτων αφρού σε υψηλές θερµοκρασίες (7-1 C) και µέτρηση της αύξησης της µάζας τους (ένδειξη οξείδωσης) δείχνοντας ότι αν προ-οξειδωθεί ο αφρός τα οξείδια του Al που σχηµατίζονται µπορούν να εξασφαλίσουν σταθερότητα του υλικού σε θερµοκρασίες πάνω από τους 95 C [2]. Αυτό σηµαίνει ότι ο µεταλλικός αφρός µπορεί να χρησιµοποιηθεί στις οξειδωτικές συνθήκες του καυσαερίου. 2.2 Συστήµατα µετεπεξεργασίας καυσαερίου Η νοµοθεσία περιορισµού των εκποµπών ρύπων οδήγησε στη χρήση συστηµάτων αντιρρύπανσης σε όλα πλέον τα σύχρονα οχήµατα µε κινητήρα diesel. Οι συσκευές αντιρρύπανσης που χρησιµοποιούνται κυρίως σε αυτά τα συστήµατα είναι ο οξειδωτικός καταλύτης (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) και το φίλτρο αιθάλης ή φίλτρο σωµατιδίων (Diesel Particutlate Filter, DPF) ή και τα δύο σε διάφορες διατάξεις που συναντώνται στα σύγχρονα συστήµατα. Βέβαια υπάρχουν και αρκετές άλλες τεχνολογίες οι οποίες ακόµα δεν είναι αρκετά διαδεδοµένες όπως τα φίλτρα διαµπερούς ροής (Flow Through Filter, FTF) που είναι σχετικά καινούργιος τύπος φίλτρου, τα συστήµατα περιορισµού των οξειδίων του αζώτου (παγίδες NOx και καταλύτες επιλεκτικής µείωσης ρύπων Selective Catalytic Reduction, SCR). Οι οξειδωτικοί καταλύτες χρησιµοποιούνται πλέον σε όλα σχεδόν τα οχήµατα µε κινητήρα diesel. Ξεκίνησαν να χρησιµοποιούνται στην δεκαετία του 197 και στην πράξη έχουν αποδειχθεί πολύ αξιόπιστοι και αποτελεσµατικοί σε αντίθεση µε τα φίλτρα αιθάλης τα οποία παρουσιάζουν προβλήµατα. Στα φίλτρα µπορεί να παρατηρηθεί πολύ υψηλή αντίθλιψη ή και στόµωση (clogging) λόγω ελλιπούς αναγέννησης, ή καταστροφή της

28 12 µηχανικής δοµής τους λόγω υψηλών θερµοκρασιών κατά τη διάρκεια του καθαρισµού τους (αναγέννηση). Παρόλα τα προβλήµατα, τα σύγχρονα υλικά και τα αποτελεσµατικά συστήµατα αναγέννησης καθιστούν τη σηµερινή τεχνολογία των φίλτρων αιθάλης αρκετά ώριµη, ώστε να χρησιµοποιούνται σε πολλά σύγχρονα οχήµατα diesel. Τα πρώτα φίλτρα αιθάλης χρησιµοποιήθηκαν το 1985 σε οχήµατα Mercedes, αλλά λόγω προβληµάτων αποσύρθηκαν από την αγορά. Η χρήση τους στη συνέχεια περιορίστηκε σε εκτός δρόµου εφαρµογές µέχρι τη δεκαετία του 199 που ξεκίνησαν κάποια προγράµµατα µετατασκευής (retrofit) βαρέων οχηµάτων (heavy duty vehicles, HDV). Το 2 οι γαλλικές αυτοκινητοβιοµηχανίες Peugeot και Citroen άρχισαν να τοποθετούν φίλτρα αιθάλης στα οχήµατα diesel που κατασκεύαζαν χρησιµοποιώντας ένα πολύπλοκο σύστηµα αναγέννησης που περιελάµβανε τη χρήση καταλυτικού προσθέτου στο καύσιµο και µετέγχυσης καυσίµου (post injection) [8]. Σήµερα, τα φίλτρα αιθάλης χρησιµοποιούνται στα περισσότερα επιβατηγά αυτοκίνητα (Light Duty Vehicles, LDV) στην Ευρώπη, στις ΗΠΑ και στην Ιαπωνία. Η χρήση τους είναι πολύ συχνή και στα φορτηγά και στο µέλλον αναµένεται το φίλτρο αιθάλης να είναι ένα από τα σηµαντικότερα µέρη των οχηµάτων µε κινητήρες diesel [9]. Η νοµοθεσία εκποµπών ρύπων Euro 4 για επιβατηγά οχήµατα που ισχύει από το 25 έχει θέσει όρια εκποµπών σωµατιδίων αιθάλης τα οποία οι κατασκευαστές µπορούν να επιτύχουν και χωρίς τη χρήση φίλτρων αιθάλης. Τα νέα όµως όρια εκποµπών Euro 5 που θα ισχύσουν από το 29 περιλαµβάνουν µείωση των εκποµπών NOx (από 25 mg/km σε 18 mg/km) και µια πολύ σηµαντική µείωση της µάζας των εκπεµπόµενων σωµατιδίων αιθάλης (Particulate Matter, PM) από 25 mg/km σε 4.5 mg/km. Επίσης, προστίθεται και περιορισµός του αριθµού των εκπεµπόµενων σωµατιδίων (Particle Number, PN) στα σωµατίδια/km. Η µέτρηση του αριθµού σωµατιδίων θα γίνεται µε τη µέθοδο PMP [1] και το όριο αυτό θεωρείται αρκετά χαµηλό καθώς είναι κοντά στα όρια της απόδοσης των σηµερινών φίλτρων αιθάλης. εν αναµένεται να χρειαστούν επιπλέον συσκευές αντιρρύπανσης προκειµένου να επιτευχθούν τα νέα όρια εκποµπών NOx, αφού θεωρείται ότι αυτό µπορεί να γίνει µε την βελτίωση της λειτουργίας των κινητήρων. Για τα σωµατίδια όµως, οι νέες οριοθετηµένες εκποµπές καθιστούν απαραίτητη τη χρήση φίλτρων αιθάλης [8, 9]. Στις επόµενες παραγράφους περιγράφεται συνοπτικά η τεχνολογία και η συµπεριφορά των οξειδωτικών καταλυτών και των φίλτρων αιθάλης που χρησιµοποιούνται στα σύγχρονα συστήµατα αντιρρύπανσης. Επίσης, η περιγραφή συµπληρώνεται µε τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας του µεταλλικού αφρού ως καταλύτη και φίλτρου αιθάλης Οξειδωτικός καταλύτης Οι οξειδωτικοί καταλυτικοί µετατροπείς είναι συσκευές αντιρρύπανσης που χρησιµοποιούνται για την οξείδωση βλαβερών αέριων ρύπων, κυρίως του CO, των υδρογονανθράκων αλλά και µέρους των προσροφηµένων υδρογονανθράκων στα σωµατίδια (SOF). Η απόδοση τους στην οξείδωση των αερίων ρύπων είναι πολύ υψηλή

29 13 (συχνά πάνω από 9%) και ταυτόχρονα συµµετέχουν σε µικρό ποσοστό και στην µείωση της µάζας των σωµατιδίων µε την οξείδωση του πτητικού µέρους της αιθάλης. Αποτελούν δοκιµασµένη και αποτελεσµατική τεχνολογία και χρησιµοποιούνται σε όλα σχεδόν τα σύγχρονα οχήµατα diesel. To υλικό κατασκευής ενός οξειδωτικού καταλύτη θα πρέπει να έχει µεγάλη ειδική επιφάνεια επαφής µε το καυσαέριο, µικρή θερµοχωρητικότητα και µικρό συντελεστή θερµικής διαστολής έτσι ώστε να είναι αποδοτικός. Επίσης, θα πρέπει να έχει συµβατότητα µε καταλυτικές επιστρώσεις, καλή µηχανική αντοχή και αντίσταση στην οξείδωση για να µπορεί να ανταπεξέλθει στις δύσκολες συνθήκες λειτουργίας [11]. Όπως είναι φανερό οι απαιτήσεις από το υλικό κατασκευής των καταλυτών είναι ιδιαίτερα υψηλές και για αυτό οι κατασκευαστές προσπαθούν συνεχώς να βελτιώνουν τα υλικά και να αναζητούν καινούργιες λύσεις. Τα πιο διαδεδοµένα υλικά κατασκευής οξειδωτικών καταλυτών είναι τα κεραµικά, όπως ο κορδιερίτης (2MgO-2Al 2 O 3-5SiO 2 ) καθώς και µεταλλικά υλικά. Ο πιο κοινός τύπος καταλύτη είναι ο κυψελωτός κεραµικός µονόλιθος διαµπερούς ροής (ceramic wall-flow monolith) µε κυκλική ή ελλειψοειδή διατοµή ο οποίος διατρέχεται από ευθύγραµµα κανάλια συνήθως τετραγωνικής διατοµής. Στην περίπτωση των µεταλλικών υλικών, χρησιµοποιούνται µεταλλικά ελάσµατα ειδικά διαµορφωµένα ώστε να σχηµατίζουν κανάλια µέσα από τα οποία ρέει το καυσαέριο [11]. Ένας µεταλλικός και ένας κεραµικός καταλύτης παρουσιάζονται στην Εικόνα 2-6. Μεταλλικός Κεραµικός Εικόνα 2-6 Τύποι οξειδωτικού καταλύτη [12] Το κεραµικό ή µεταλλικό υλικό κατασκευής του καταλύτη ονοµάζεται υπόστρωµα (substrate) και έχει ειδική επίστρωση η οποία αποτελείται από ένα πορώδες υλικό υψηλής ειδικής επιφάνειας. Η επίστρωση αυτή χρησιµοποιείται για την καλύτερη διασπορά των πολύτιµων µετάλλων, αλλά και για την προστασία και σταθεροποίηση του υλικού του καταλύτη. Οι επιστρώσεις που χρησιµοποιούνται συνήθως είναι οξείδια µετάλλων (όπως η αλουµίνα) και ο ζεόλιθος και επίσης περιέχουν πολύτιµα µέταλλα (συνήθως Pt, Rh, Pd) που αποτελούν τον καταλύτη των οξειδωτικών αντιδράσεων. Ο οξειδωτικός καταλύτης υποβοηθά τις οξειδωτικές αντιδράσεις του CO, των υδρογονανθράκων και των προσροφηµένων υδρογονανθράκων στα σωµατίδια (SOF).

30 14 Είναι προτιµότερο να τοποθετείται κοντά στην εξαγωγή του κινητήρα, έτσι ώστε το καυσαέριο να έχει υψηλή θερµοκρασία βοηθώντας στην καλύτερη οξειδωτική απόδοση του καταλύτη. Συχνά τοποθετείται ένας µικρός οξειδωτικός καταλύτης κοντά στην εξαγωγή (closed coupled precatalyst) λόγω έλλειψης χώρου και στη συνέχεια τοποθετείται ο κύριος καταλύτης ή και το φίλτρο αιθάλης στο κάτω µέρος του οχήµατος (underfloor catalyst and particulate filter). Όπως προαναφέρθηκε ο µεταλλικός αφρός µπορεί εύκολα να επικαλυφθεί µε καταλυτική επίστρωση. Η καταλυτική επίστρωση χρησιµοποιείται για να βελτιωθεί η επαφή καυσαερίου-καταλύτη. Για παράδειγµα τα κεραµικά υποστρώµατα έχουν συνήθως χαµηλή ειδική επιφάνεια (περίπου.3 m 2 /g) ενώ η αλουµίνα που χρησιµοποιείται ως επίστρωση έχει συνήθως πάνω από 1 m 2 /g. Ο καταλύτης που χρησιµοποιείται συνήθως είναι πολύτιµα µέταλλα (Pt, Rh, Pd) τα οποία βρίσκονται στην επιφάνεια και µέσα στους πόρους της επίστρωσης όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2-7. Τα συστατικά του καυσαερίου διαχέονται µέσα στην επίστρωση προς τα σηµεία που υπάρχει καταλύτης και έτσι υποβοηθούνται οι οξειδωτικές αντιδράσεις. Θα πρέπει να τονιστεί ότι πολλές φορές η επίστρωση έχει από µόνη της καταλυτικές ιδιότητες ή υποβοηθά τις καταλυτικές αντιδράσεις. Ένα ακόµα σηµαντικό χαρακτηριστικό της είναι η σταθερότητα σε υψηλές θερµοκρασίες και η προστασία του υποστρώµατος από την οξείδωση. Εικόνα 2-7 Καταλυτική επίστρωση [13] Οι κύριες αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται στον οξειδωτικό καταλύτη είναι CO + O 2 -> CO 2 HC + O 2 -> CO 2 + H 2 O NO + 1/2O 2 NO 2 Όπως ήδη αναφέρθηκε, η οξειδωτική ικανότητα του καταλύτη βοηθά στο σηµαντικό περιορισµό της συγκέντρωσης των βλαβερών αέριων ρύπων (CO και υδρογονάνθρακες). Από την άλλη µεριά, έχει µικρή απόδοση στη µείωση της µάζας των σωµατιδίων συνεισφέροντας µόνο µε την οξείδωση του SOF (Soluble organic fraction) και ταυτόχρονα

31 15 συµβάλλει στην αύξηση των εκποµπών NO 2 γεγονός που πρέπει να θεωρηθεί ως µειονέκτηµα λόγω της αυξηµένης επικινδυνότητας του σε σχέση µε το NO [9, 14-18]. Οι καµπύλες στην Εικόνα 2-8 δείχνουν την τυπική συµπεριφορά της απόδοσης µετατροπής του CO, ΝΟ και υδρογονανθράκων σε οξειδωτικό καταλύτη. Στις χαµηλές θερµοκρασίες καυσαερίου ο καταλύτης είναι ανενεργός και δεν πραγµατοποιούνται οι οξειδωτικές αντιδράσεις. Με την αύξηση της θερµοκρασίας αυξάνει απότοµα και ο ρυθµός των αντιδράσεων και, εποµένως, και ο βαθµός µετατροπής. Στη συνέχεια, ο βαθµός µετατροπής του CO και των υδρογονανθράκων σταθεροποιείται για υψηλότερες θερµοκρασίες. Η θερµοκρασία στην οποία αρχίζει η καταλυτική οξείδωση λέγεται θερµοκρασία έναυσης ή ενεργοποίησης του καταλύτη (light off temperature). Η συµπεριφορά του NO είναι διαφορετική και ενώ αρχικά το NO οξειδώνεται προς NO 2, σε υψηλότερες θερµοκρασίες το NO 2 διασπάται προς NO. Έτσι, ο βαθµός οξείδωσης του NO αρχικά αυξάνει µε τη θερµοκρασία και φτάνει σε ένα µέγιστο σηµείο (περίπου στους 35 C) αλλά µετά µειώνεται λόγω θερµοδυναµικής ισορροπίας. 1 9 CO 8 Βαθµός µετατροπής % HC NO Θερµοκρασία [ C] Εικόνα 2-8 Βαθµός µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία Στα πλαίσια της εργασίας µελετήθηκαν αφροί µε όλους τους συνηθισµένους τύπους επιστρώσεων, που συναντώνται στους σύγχρονους καταλύτες και καταλυτικά φίλτρα αιθάλης. Πιο συγκεκριµένα χρησιµοποιήθηκαν (σε διάφορες συγκεντρώσεις) επιστρώσεις από αλουµίνα, ζεολίθου και οξειδίων του δηµητρίου και του ζιρκονίου (Ce-Zr). O καταλύτης ήταν πάντα λευκόχρυσος (Pt) σε διάφορους τύπους και συγκεντρώσεις. Η αλουµίνα, είναι ένα από τα πιο διαδεδοµένα υλικά επιστρώσεων λόγω της µεγάλης ειδικής επιφάνειας της (15-2m 2 /g) και της σταθερότητας της σε υψηλές θερµοκρασίες. Το µειονέκτηµα της είναι ότι αντιδρά µε το θειούχα συστατικά του καυσαερίου [19]. Ο ζεόλιθος είναι ένα υλικό µε πολύ µικρούς πόρους και πολύ µεγάλη ειδική επιφάνεια (4-5m 2 /g) και χρησιµοποιείται στα συστήµατα περιορισµού των NOx και ως παγίδα υδρογονανθράκων στα συστήµατα αντιρρύπανσης των κινητήρων diesel. Ο ζεόλιθος έχει µεγάλη ικανότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων σε θερµοκρασίες κάτω από 2 C.

32 16 Αυτό είναι πολύ χρήσιµο όταν το υπόστρωµα είναι κρύο όπως για παράδειγµα κατά την ψυχρή εκκίνηση του οχήµατος που ο καταλύτης δεν έχει ενεργοποιηθεί ακόµα. Βέβαια, η ικανότητα προσρόφησης HC είναι πεπερασµένη και όταν πλησιάζει τον κορεσµό η αποθήκη του ζεολίθου, τότε µειώνεται η συνολική απόδοση περιορισµού των εκποµπών υδρογονανθράκων καθώς αυτοί διαφεύγουν προς στην έξοδο του καταλύτη. Όταν το καυσαέριο θερµάνει το υπόστρωµα πάνω από τους 15-2 C, τότε εκροφώνται οι προσροφηµένοι υδρογονάνθρακες. Στο διάστηµα που µεσολαβεί µεταξύ αυτού του σηµείου και της θερµοκρασίας ενεργοποίησης του καταλύτη (light off temperature) µπορεί να παρατηρηθεί αρνητική απόδοση µετατροπής υδρογονανθράκων. Στη συνέχεια, οι εκροφηµένοι υδρογονάνθρακες οξειδώνονται µε τη βοήθεια του καταλύτη [19, 2]. Το οξείδιο του δηµητρίου (CeO 2 ) έχει επίσης µεγάλη ειδική επιφάνεια (15-27m 2 /g), καταλυτική δράση και ικανότητα αποθήκευσης οξυγόνου. Μπορεί να βοηθήσει στη σταθερότητα της επίστρωσης και χρησιµοποιείται σε αρκετές επικαλύψεις οξειδωτικών καταλυτών και φίλτρων αιθάλης. Σε αυτού του είδους την επίστρωση συχνά προστίθεται οξείδιο του ζιρκονίου (ZrO 2 ) µε ειδική επιφάνεια 1-15m 2 /g επειδή συνεισφέρει στη θερµική σταθερότητα και υποβοηθά την δράση του δηµητρίου [19]. Λόγω της ιδιοµορφίας του υλικού (διήθηση βάθους) ο αφρός επιδεικνύει πάντα και µια ικανότητα κατακράτησης των στερεών σωµατιδίων. Σε αντίθεση µε αυτό, οι κεραµικοί καταλύτες διαµπερούς ροής συνεισφέρουν στην µείωση της µάζας των σωµατιδίων µόνο µε την οξείδωση του SOF. Επιπλέον, λόγω της γραµµικής ροής µέσα στα κανάλια, πολλά σωµατίδια δεν πλησιάζουν την επίστρωση, αλλά και ο χρόνος παραµονής όσων έρχονται σε επαφή είναι σχετικά µικρός. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι ο αφρός είναι ένα πολλά υποσχόµενο υλικό αφού εµφανίζει καλύτερη ανάµιξη, καλύτερη επαφή καυσαερίου και σωµατιδίων µε την καταλυτική επίστρωση αλλά και µεγαλύτερο χρόνο παραµονής [1, 6, 21-23]. Η αντοχή των οξειδωτικών καταλυτών στη χρήση είναι πολύ σηµαντική, αφού και η νοµοθεσία επιβάλλει τη διατήρηση της καταλυτικής τους απόδοσης για κάποια χρόνια ή αριθµό διανυθέντων km. H καταλυτική δράση µειώνεται µε τη χρήση λόγω τεσσάρων αιτιών. Μια από τις βασικότερες αιτίες είναι η δηλητηρίαση του καταλύτη, δηλαδή η χηµική απενεργοποίηση περιοχών της επίστρωσης (πχ η προσρόφηση του SO 2 από την Pt) από κάποιο συστατικό του καυσαερίου που συνήθως προέρχεται από το καύσιµο ή το λιπαντικό. Επίσης πολύ σηµαντική αιτία µείωσης της απόδοσης του καταλύτη είναι η θερµική γήρανση. Συµβαίνει σε υψηλές θερµοκρασίες και όταν αλλάζει η δοµή του καταλύτη ή της επίστρωσης λόγω πυροσυσσωµάτωσης µειώνοντας έτσι τις διαθέσιµες περιοχές µε πολύτιµα µέταλλα που θα έρθουν σε επαφή µε το καυσαέριο. Επιπλέον, µείωση της απόδοσης προκαλούν και διάφορες αντιδράσεις µεταξύ των συστατικών του καταλύτη και της επίστρωσης, καθώς και οι απώλειες της επίστρωσης λόγω διάβρωσης και φθοράς στο περιβάλλον του καυσαερίου. Στα πλαίσια της εργασίας, µελετήθηκε η απόδοση φρέσκων και γηρασµένων καταλυτικών αφρών. Αυτό έγινε µε στόχο την καλύτερη αξιολόγηση της καταλληλότητας του υλικού για χρήση σε καυσαέριο diesel. Η γήρανση των αφρών έγινε µε την πιο κοινή µέθοδο που χρησιµοποιείται από τους

33 17 κατασκευαστές, δηλαδή τη θερµική γήρανση, µε θέρµανση των καταλυτικών επιστρώσεων για αρκετές ώρες σε υψηλές θερµοκρασίες (6-1 C) σε περιβάλλον αέρα. Η µέθοδος αυτή αποτελεί µια προσοµοίωση της κατάστασης τους µετά από µακρόχρονη χρήση [24, 25] Φίλτρο αιθάλης Τα φίλτρα αιθάλης είναι συσκευές κατακράτησης σωµατιδίων αιθάλης του καυσαερίου των κινητήρων diesel. Τα σύγχρονα φίλτρα έχουν πολύ υψηλό βαθµό απόδοσης διήθησης (πάνω από 9%) και καλή µηχανική και θερµική αντοχή. Βαθµός απόδοσης διήθησης ορίζεται το ποσοστό της µάζας ή του αριθµού των σωµατιδίων που κατακρατούνται από το φίλτρο. Ο βαθµός απόδοσης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως το µέγεθος των πόρων του φίλτρου, το βάθος διήθησης, την ταχύτητα καυσαερίου, τη διάµετρο των σωµατιδίων και τη φόρτιση αιθάλης. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι τα φίλτρα αιθάλης είναι ικανά να συγκρατούν µόνο το στερεό µέρος των σωµατιδίων χωρίς να έχουν αποτέλεσµα στο πτητικό µέρος (SOF). Οι απαιτήσεις από το υλικό κατασκευής του φίλτρου είναι µεγάλες. Θα πρέπει να έχει αντοχή σε υψηλές θερµοκρασίες (πάνω από 1 C) αλλά και σε απότοµες µεταβολές της θερµοκρασίας. Ακόµα, θα πρέπει να έχει καλή µηχανική αντοχή και ανθεκτικότητα στο περιβάλλον του καυσαερίου (οξειδωτικά αέρια, τέφρα που προέρχεται από τα καταλυτικά πρόσθετα καυσίµου και τα λιπαντικά). Επιπλέον, το φίλτρο θα πρέπει να έχει χαµηλή πτώση πίεσης, δυνατότητα καταλυτικής επίστρωσης, µικρό µέγεθος και βάρος, χαµηλό κόστος, υψηλό βαθµό κατακράτησης σωµατιδίων, και δυνατότητα κατακράτησης µεγάλης ποσότητας αιθάλης [8]. Τα πιο διαδεδοµένα υλικά κατασκευής φίλτρων αιθάλης είναι τα κεραµικά, όπως ο κορδιερίτης και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC). Παρόµοια µε τον οξειδωτικό καταλύτη, ο πιο κοινός τύπος φίλτρου αιθάλης είναι ο κυψελωτός κεραµικός µονόλιθος (ceramic wall-flow monolith) µε κυκλική ή ελλειψοειδή διατοµή ο οποίος διατρέχεται από ευθύγραµµα κανάλια συνήθως τετραγωνικής διατοµής. Επίσης, υπάρχουν και λιγότερο διαδεδοµένοι τύποι φίλτρων όπως τα φίλτρα από κεραµικές ή µεταλλικές ίνες (ceramic and metal fibers) και τα φίλτρα από κεραµικό ή µεταλλικό αφρό (ceramic and metal foam) [26]. Πολύ συχνά τα φίλτρα αιθάλης έχουν καταλυτική επίστρωση (Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF) παρόµοια µε τους οξειδωτικούς καταλύτες. Οι πιο κοινές επιστρώσεις που χρησιµοποιούνται είναι η αλουµίνα και ο ζεόλιθος σε συνδυασµό µε πολύτιµα µέταλλα (συνήθως Pt, Rd, Pd). Η λειτουργία του κυψελωτού κεραµικού µονόλιθου εµφαίνεται στην Εικόνα 2-9. Στα κανάλια τοποθετείται βύσµα (plug) σε συγκεκριµένο µήκος εναλλάξ των άκρων των καναλιών στην είσοδο και στην έξοδο, έτσι ώστε το καυσαέριο να υποχρεώνεται να περάσει διαµέσου του πορώδους κεραµικού τοιχώµατος προς τα γειτονικά κανάλια, εναποθέτοντας το µεγαλύτερο µέρος των σωµατιδίων στην επιφάνεια του καναλιού εισόδου [27].

34 18 Εικόνα 2-9 Λειτουργία του φίλτρου ροής τοιχώµατος [27] Ο διαχωρισµός των σωµατιδίων από το καυσαέριο γίνεται µε δύο κύριους µηχανισµούς, την διήθηση βάθους (depth filtration) και τη διήθηση επιφανειακού τύπου ή σωµατιδιακής στρώσης (cake or surface filtration). Η Εικόνα 2-1 αναπαριστά τον τρόπο µε τον οποίο τα σωµατίδια εναποθέτονται πάνω στην επιφάνεια του πορώδους υλικού (πράσινο χρώµα) κατά τη διήθηση µε τους δύο παραπάνω µηχανισµούς. (α) (β) Εικόνα 2-1 ιήθηση βάθους (α), επιφανειακή διήθηση (β) Στα φίλτρα διήθησης βάθους, το µέσο µέγεθος των πόρων είναι µεγαλύτερο από τη µέση διάµετρο των σωµατιδίων σε αντίθεση µε τα φίλτρα επιφανειακού τύπου στα οποία οι πόροι είναι µικρότεροι από τα σωµατίδια. Οι διήθηση βάθους είναι συνδυασµός µηχανισµών, της διάχυσης, της αδράνειας και της αναχαίτισης. Στην εναπόθεση λόγω διάχυσης, τα µικρά σωµατίδια (µικρότερα από.3 µm) που δεν ακολουθούν τις ροϊκές γραµµές διαχέονται πάνω στην επιφάνεια του πορώδους υλικού. Κατά την εναπόθεση λόγω αδράνειας τα σωµατίδια µεγαλύτερης µάζας που ακολουθούν τις ροϊκές γραµµές προσκρούουν πάνω στο υλικό του φίλτρου λόγω της αδράνειας τους. Η αναχαίτιση συµβαίνει στις ροϊκές γραµµές που περνάνε πολύ κοντά στην επιφάνεια του υλικού (σε

35 19 απόσταση µικρότερη από την ακτίνα των σωµατιδίων). Τότε τα σωµατίδια που ακολουθούν τη γραµµή εναποθέτονται πάνω στην επιφάνεια µε έναν από τους δύο παραπάνω µηχανισµούς [28]. Όλοι οι µηχανισµοί διήθησης βάθους παρουσιάζονται στην Εικόνα (α) (β) Εικόνα 2-11 Μηχανισµοί διήθησης βάθους, διάχυση (α), αδράνεια (β), αναχαίτιση (γ) [28] (γ) Ο κυρίαρχος µηχανισµός στο µεταλλικό αφρό είναι η διήθηση βάθους. Αντίθετα, στα φίλτρα ροής τοιχώµατος (wall flow filters) αρχικά το φιλτράρισµα γίνεται µέσα στο τοίχωµα µε διήθηση βάθους και στη συνέχεια αρχίζει να δηµιουργείται η σωµατιδιακή στρώση η οποία λειτουργεί η ίδια ως φίλτρο µε επιφανειακή διήθηση [8, 29]. Όπως περιγράφεται αναλυτικά και σε επόµενο κεφάλαιο, αν το µέγεθος πόρων στο µεταλλικό αφρό είναι αρκετά µικρό, τότε είναι δυνατό όταν η φόρτιση αιθάλης ξεπεράσει ένα όριο, να δηµιουργείται σωµατιδιακή στρώση και να συνεισφέρει σηµαντικά και ο µηχανισµός της διήθησης επιφανειακού τύπου όπως συµβαίνει και στα φίλτρα ροής τοιχώµατος [1, 3].

36 2 Από τη συµπεριφορά του ρυθµού συσσώρευσης αιθάλης µέσα στο φίλτρο, διακρίνονται τρεις φάσεις λειτουργίας. H φόρτιση, κατά την οποία ο ρυθµός είναι θετικός, η µάζα αιθάλης και η πτώση πίεσης αυξάνεται µε συνέπεια να επηρεάζεται αρνητικά η συµπεριφορά του κινητήρα και να αυξάνεται η κατανάλωση καυσίµου. Οι υπερβολικά µεγάλες φορτίσεις µπορεί να οδηγήσουν σε στόµωση του φίλτρου ή και στην καταστροφή του σε περίπτωση έναρξης ανεξέλεγκτης οξείδωσης της αιθάλης κατά την οποία αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερµοκρασίες. Αυτό σηµαίνει ότι θα πρέπει το φίλτρο να καθαρίζεται συνεχώς ή κατά διαστήµατα. Η κατάσταση ισορροπίας, κατά την οποία ο ρυθµός συσσώρευσης είναι κοντά στο µηδέν, η µάζα αιθάλης και η πτώση πίεσης είναι σταθερή. Η θερµοκρασία στην οποία συµβαίνει ονοµάζεται θερµοκρασία ισορροπίας. H αναγέννηση, δηλαδή η οξείδωση και αεριοποίηση της αιθάλης κατά την οποία ο ρυθµός συσσώρευσης είναι αρνητικός και η µάζα αιθάλης και η πτώση πίεσης µειώνεται. Η θερµική αναγέννηση, δηλαδή η οξείδωση της αιθάλης µε το O 2 του καυσαερίου πραγµατοποιείται µε ικανοποιητικό ρυθµό σε θερµοκρασίες πάνω από τους 55 C. Η αιθάλη µπορεί να οξειδωθεί και µε το NO 2 σε χαµηλές θερµοκρασίες, περίπου από τους 3 C. Οι αντιδράσεις οξείδωσης της αιθάλης που µπορούν να πραγµατοποιηθούν σε ένα φίλτρο είναι C+O 2 -> CO+CO 2 C+NO 2 -> CO+CO 2 +NO Οι συνθήκες στο καυσαέριο diesel δεν είναι πάντα ευνοϊκές για την αναγέννηση, αφού οι υψηλές θερµοκρασίες που απαιτούνται για τη θερµική οξείδωση της αιθάλης είναι σπάνιες και η συγκέντρωση του NO 2 στο καυσαέριο είναι χαµηλή (περίπου 5-2% των συνολικών NOx). Τα σύγχρονα οχήµατα είναι εξοπλισµένα µε συστήµατα αναγέννησης, έτσι ώστε να µπορούν να καθαρίζουν το φίλτρο όταν χρειάζεται. Τα ενεργητικά συστήµατα αναγέννησης µπορούν να αυξάνουν τη θερµοκρασία καυσαερίου αρκετά για να πραγµατοποιείται η θερµική αναγέννηση της αιθάλης εγχύοντας µε κάποιο τρόπο καύσιµο στο καυσαέριο (καθυστερηµένη έγχυση στον κύλινδρο κατά τη φάση της απόπλυσης ή ψεκασµός καυσίµου στην εξαγωγή). Έτσι, αυξάνεται η συγκέντρωση υδρογονανθράκων στο καυσαέριο οι οποίοι οξειδώνονται στον καταλύτη που συνήθως είναι τοποθετηµένος κοντά στην εξαγωγή. Η οξείδωση τους είναι εξώθερµη και αυξάνεται η θερµοκρασία του καυσαερίου πάνω από τους 55-6 C έτσι ώστε να είναι δυνατή η θερµική αναγέννηση. Αυτό συµβαίνει όταν ο υπολογιστής του οχήµατος αντιληφθεί ότι η φόρτιση του φίλτρου αιθάλης υπερβαίνει κάποιο προκαθορισµένο όριο

37 21 (συνήθως κάθε 8-1km). Έτσι το σύστηµα εξασφαλίζει ότι δεν θα αυξάνεται πολύ η αντίθλιψη του φίλτρου µε άµεσο αντίκτυπο στην κατανάλωση και ότι η µάζα αιθάλης θα είναι χαµηλότερη από την µέγιστη επιτρεπόµενη φόρτιση για ασφαλή αναγέννηση. Η εκτίµηση της φόρτισης του φίλτρου σε αιθάλη γίνεται µε τη βοήθεια αισθητών πίεσης και θερµοκρασίας στο σηµείο που είναι τοποθετηµένο το φίλτρο σε συνδυασµό µε τη µετρούµενη παροχή αέρα. Αυτό το σύστηµα έχει το µειονέκτηµα ότι το καύσιµο που εγχύεται για να τον καθαρισµό του φίλτρου αυξάνει τη συνολική κατανάλωση του οχήµατος [31]. Τα παθητικά συστήµατα είτε υποβοηθούν καταλυτικά την αναγέννηση σε χαµηλή θερµοκρασία (πχ καταλυτικά πρόσθετα), είτε αυξάνουν τη συγκέντρωση του NO 2 στο καυσαέριο µε τη χρήση οξειδωτικού καταλύτη ή καταλυτικών φίλτρων. Το καταλυτικό πρόσθετο στο καύσιµο είναι συνήθως δηµήτριο και χρησιµοποιείται σε συγκεντρώσεις 1-1ppm. Αφού το πρόσθετο φτάσει στο καυσαέριο, κατακρατείται σχεδόν όλο (πάνω από 95%) στο φίλτρο µαζί µε την αιθάλη και βρίσκεται σε άµεση επαφή µαζί της. Το πρόσθετο έχει την ικανότητα αποθήκευσης και έκλυσης οξυγόνου υποβοηθώντας έτσι την αναγέννηση η οποία πραγµατοποιείται σε χαµηλές θερµοκρασίες (περίπου από τους 3 C). Αυτό το σύστηµα χρησιµοποιήθηκε εκτενώς από την Peugeot και την Citroen αλλά έχει έναν αριθµό µειονεκτηµάτων. Το όχηµα πρέπει να είναι εφοδιασµένο µε ένα πολύπλοκο σύστηµα που περιλαµβάνει δεξαµενή προσθέτου που πρέπει να ανεφοδιάζεται και σύστηµα έγχυσης στο καύσιµο στην κατάλληλη συγκέντρωση. Επιπλέον, το πρόσθετο που κατακρατείται στο φίλτρο αιθάλης αυξάνει την πτώση πίεσης σε αυτό και µπορεί να επηρεάσει τη συµπεριφορά του, συνεπώς θα πρέπει να καθαρίζεται κατά διαστήµατα [31-33]. Το πιο διαδεδοµένο σύστηµα παθητικής αναγέννησης είναι η χρήση καταλυτικών επιστρώσεων για την αύξηση της συγκέντρωσης του NO 2 στο καυσαέριο που συχνά αποκαλείται και φίλτρο συνεχούς αναγέννησης (Continuously Regenerating Trap, CRT). Σε αυτά τα συστήµατα χρησιµοποιείται οξειδωτικός καταλύτης και ένα φίλτρο αιθάλης µε ή χωρίς καταλυτική επίστρωση µε αποτέλεσµα να αυξάνεται το NO 2 που µπορεί να αποτελεί ακόµα και το 7-8% των συνολικών NOx σε κάποιες περιπτώσεις. Έτσι, ευνοείται η οξείδωση της αιθάλης µε το NO 2 η οποία πραγµατοποιείται σε χαµηλές θερµοκρασίες. Βέβαια, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η παθητική αναγέννηση επηρεάζεται από αρκετούς παράγοντες όπως είναι ο λόγος εκποµπών NOx προς αιθάλη, το ποσοστό του πτητικού µέρους (SOF) της αιθάλης, η παροχή καυσαερίου και το ποσοστό του οξυγόνου στο καυσαέριο [32] Ανοιχτά φίλτρα Πρόσφατα, ένας νέος τύπος φίλτρου αιθάλης εισήχθη στα συστήµατα αντιρρύπανσης, το φίλτρο διαµπερούς ροής (Flow through filter, FTF) ή ανοιχτό φίλτρο (Open filter). Έχει την ικανότητα να οξειδώνει τους αέριους ρύπους αλλά ταυτόχρονα και να κατακρατεί ένα µέρος των σωµατιδίων του καυσαερίου. Όταν η κατακρατηµένη ποσότητα αιθάλης φτάσει στη µέγιστη ικανότητα του φίλτρου αυτό δεν στοµώνει, αλλά σταδιακά ο βαθµός απόδοσης διήθησης µειώνεται επιτρέποντας στα σωµατίδια να περάσουν. Έτσι, θα µπορούσε να ειπωθεί ότι πρόκειται για ειδικού τύπου καταλύτη που έχει µεγαλύτερη

38 22 ικανότητα κατακράτησης σωµατιδίων από τους οξειδωτικούς καταλύτες αλλά µικρότερη από τα φίλτρα αιθάλης. Οι διαφορές µεταξύ των ανοιχτών φίλτρων και των φίλτρων βάθους είναι µικρές και οι δύο διαµορφώσεις έχουν πολλά κοινά στοιχεία. Υπάρχουν πολλοί τύποι ανοιχτών φίλτρων από διαφορετικά υλικά κατασκευής όπως ο κεραµικός και µεταλλικός αφρός, το µεταλλικό πλέγµα και άλλα [3, 34]. Η συνολική απόδοση των ανοιχτών φίλτρων επηρεάζεται από την κατακράτηση σωµατιδίων, από την παθητική αναγέννηση και από τη διαφυγή σωµατιδίων ιδιαίτερα σε υψηλές σωµατιδιακές φορτίσεις και σε γρήγορες µεταβολές του σηµείου λειτουργίας του κινητήρα. Αυτή είναι µια ακόµα σηµαντική διαφορά µε τα φίλτρα αιθάλης στα οποία δεν παρατηρείται διαφυγή σωµατιδίων. Όταν το ανοιχτό φίλτρο είναι καθαρό, η απόδοση διήθησης αυξάνεται µε τη φόρτιση. Όταν το φίλτρο φτάσει στην µέγιστη ποσότητα αιθάλης που µπορεί να κατακρατήσει, τότε η απόδοση διήθησης ακολουθεί πτωτική πορεία. Τα ανοιχτά φίλτρα εµφανίστηκαν αρχικά µε απόδοση διήθησης µεταξύ 5 και 7% αλλά οι κατασκευαστές στόχευαν σε απόδοση µεγαλύτερη από 9% και έτσι εγκαταλείφθηκαν. Πρόσφατα, κάποιες εφαρµογές που απαιτούσαν σχετικά µικρή µείωση των σωµατιδίων και η νοµοθεσία που υποχρεώνει σε κάποιες χώρες την µετασκευή των παλιών οχηµάτων µε κινητήρα diesel ώστε να µειωθούν οι εκποµπές σωµατιδίων αιθάλης, οδήγησαν στην ανάπτυξη τέτοιων φίλτρων [34-36]. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι το υπόστρωµα που παρουσιάζεται στην Εικόνα 2-12, όπου ένα µέρος της ροής αναγκάζεται να περάσει διαµέσου του µεταλλικού πλέγµατος που αποτελεί και το µέσο διήθησης. Όταν το πλέγµα αυτό κορεσθεί σε αιθάλη και δεν µπορεί πλέον να κατακρατήσει περισσότερο, η ροή µπορεί να συνεχίσει να ρέει διαµέσου των καναλιών λειτουργώντας ώς ανοιχτό φίλτρο διαµπερούς ροής [34]. Βεβαίως και οι αφροί µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την κατασκευή τέτοιων φίλτρων. Εικόνα 2-12 Λειτουργία φίλτρου διαµπερούς ροής [34]

39 23 Όπως φαίνεται από πολλές περιπτώσεις που εφαρµόστηκε αυτή η τεχνολογία, τα ανοιχτά φίλτρα µπορούν να είναι ιδιαίτερα χρήσιµα, αν και υπάρχουν πολλά θέµατα που πρέπει να διερευνηθούν περισσότερο. εν έχει µελετηθεί ενδελεχώς η συµπεριφορά τους κατά τη διάρκεια της αναγέννησης, σε έντονα µεταβατική λειτουργία του κινητήρα για πιθανή διαφυγή σωµατιδίων (blow off), η απόδοση διήθησης µε βάση τον αριθµό των σωµατιδίων, η επίδραση της τέφρας (ash) όπως και η ανθεκτικότητα τους σε συνθήκες καυσαερίου [34]. 2.3 Σύγκριση του µεταλλικού αφρού µε άλλα υλικά Σε αυτή την παράγραφο γίνεται µια σύντοµη σύγκριση των ιδιοτήτων και της συµπεριφοράς του µεταλλικού αφρού σε σχέση µε άλλα υλικά που χρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα συσκευών αντιρρύπανσης. Στόχος είναι η περιγραφή των πλεονεκτηµάτων και των µειονεκτηµάτων του αφρού σε σχέση µε τα ανταγωνιστικά υλικά όσον αφορά την πιθανή αξιοποίησή του στην αντιρρυπαντική τεχνολογία των κινητήρων. Όπως προαναφέρθηκε, τα υλικά που χρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα στις συσκευές αντιρρύπανσης είναι κυρίως κεραµικά και συγκεκριµένα ο κορδιερίτης και το SiC. Οι ιδιότητές τους καθώς και του κεραµικού αφρού αναφέρονται συχνά στη βιβλιογραφία [11, 37-41] από όπου και συγκεντρώθηκαν και τα στοιχεία που παραθέτει ο Πίνακας 3. Πίνακας 3 Ιδιότητες του µεταλλικού αφρού σε σχέση µε κεραµικά υλικά Κορδιερίτης SiC Κεραµικός αφρός (SiC) Μεταλλικός αφρός Ni Μέσο µέγεθος πόρων [µm] Πυκνότητα [kg/m 3 ] Πορώδες % Θερµική αγωγιµότητα [W/mK] Θερµοχωρητικότητα C p [J/kgK] C Σηµείο τήξης [ C] Το σηµείο τήξης του µεταλλικού αφρού είναι αντίστοιχο µε του κορδιερίτη και θεωρείται ικανοποιητικό για χρήση σε περιβάλλον καυσαερίου. Οι θερµικές ιδιότητες του µεταλλικού αφρού µπορούν να αποδειχθούν ιδιαίτερα χρήσιµες στη συγκεκριµένη εφαρµογή. Είναι υλικό µε χαµηλότερη θερµοχωρητικότητα από τα κεραµικά υλικά, και συνεπώς θα είναι ευκολότερο να ζεσταθεί από το καυσαέριο ιδιαίτερα κατά την ψυχρή εκκίνηση του οχήµατος. Αυτό σηµαίνει ότι η καταλυτική επίστρωση είναι πιθανό να ενεργοποιηθεί (light off) νωρίτερα από ότι ένα αντίστοιχο κεραµικό υπόστρωµα µε αποτέλεσµα λιγότερους διαφυγόντες αέριους ρύπους [42].

40 24 Ένα πολύ σηµαντικό πλεονέκτηµα του µεταλλικού αφρού είναι η ευελιξία στην κατασκευή και την επίστρωση. Είναι δυνατό να κατασκευαστούν εύκολα φύλλα αφρού σε µεγάλο εύρος µεγέθους πόρων και πάχους. Αυτό σηµαίνει ότι είναι δυνατό να χρησιµοποιηθεί ένας συνδυασµός αφρών που θα έχουν διαφορετικό πορώδες µε αποτέλεσµα ένα φίλτρο αιθάλης µεταβλητού πορώδους. Αυτή η δυνατότητα δεν υπάρχει στα κεραµικά φίλτρα και αποτελεί ένα πολλά υποσχόµενο χαρακτηριστικό. Ακόµα, το µεγάλο εύρος στο µέγεθος πόρων υπόσχεται δυνατότητα κατασκευής τόσο ανοιχτών όσο και κλειστών φίλτρων. Επιπλέον, τα φύλλα αφρού που θα χρησιµοποιηθούν µπορούν να έχουν διαφορετική επίστρωση µεταξύ τους. ηλαδή, υπάρχει η δυνατότητα ακτινικής και αξονικής ανοµοιοµορφίας τόσο όσον αφορά τον τύπο και τη συγκέντρωση της επίστρωσης όσο και την ποσότητα του καταλύτη. Η µεταβλητή επίστρωση είναι κάτι που ήδη χρησιµοποιείται στα φίλτρα ροής τοιχώµατος. Σχετικά πρόσφατα αναπτύχθηκαν από τους κατασκευαστές φίλτρα µε αξονική ανοµοιοµορφία στην καταλυτική επίστρωση. Η επίστρωση είναι συνήθως χωρισµένη σε δύο ζώνες και σε µερικές περιπτώσεις υπάρχει και ακτινική µεταβλητότητα στην επίστρωση [19]. Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα των µεταλλικών αφρών είναι η υψηλότερη ειδική επιφάνεια σε σχέση µε τα συµβατικά κυψελωτά υποστρώµατα. Αυτό σηµαίνει ότι µπορεί να γίνει επίστρωση µε µεγάλες ποσότητες καταλυτικής επίστρωσης επιτυγχάνοντας σχετικά µικρό πάχος. Έτσι αναµένεται να υπάρχει καλύτερη πρόσβαση του καυσαερίου στα σηµεία όπου υπάρχει ο καταλύτης και να µειωθεί η αντίσταση µεταφοράς µάζας µέσα στην επίστρωση η οποία είναι ανάλογη µε το πάχος της. Στην επόµενη φωτογραφία SEM (Εικόνα 2-13) φαίνεται σε µεγέθυνση η ακµή του δωδεκαέδρου του πόρου (strut) και η καταλυτική επίστρωση η οποία έχει µέσο πάχος 25 µm [6]. Για λόγους σύγκρισης αναφέρεται ότι στα κεραµικά υποστρώµατα η επίστρωση έχει πάχος συνήθως από 2 έως 4 µm [12]. Επιπλέον, ο µηχανισµός διήθησης βάθους ευνοεί και την παθητική αναγέννηση των φίλτρων αιθάλης από µεταλλικό αφρό σε χαµηλές θερµοκρασίες. Αυτό συµβαίνει επειδή είναι πολύ καλύτερη η επαφή αιθάλης και καταλυτικής επίστρωσης από ότι στα φίλτρα ροής τοιχώµατος [1, 6, 22, 23, 43].

41 25 Επίστρωση Αφρός Εικόνα 2-13 Αφρός µε καταλυτική επίστρωση [1] Η χρήση κεραµικών αφρών στα φίλτρα αιθάλης αποτελούσε παλαιότερα αντικείµενο εκτενούς έρευνας. Σε πολλές εργασίες διερευνήθηκε η λειτουργία τέτοιων φίλτρων αλλά και φίλτρων κεραµικού αφρού µε καταλυτική επίστρωση. Οι κεραµικοί αφροί κατασκευάζονται παρόµοια µε τους µεταλλικούς χρησιµοποιώντας ως υλικό κυρίως το καρβίδιο του πυριτίου και το µέγεθος των πόρων τους είναι συγκρίσιµο µε των µεταλλικών αφρών. Οι µηχανικές ιδιότητες τους είναι αντίστοιχες µε τα κεραµικά υλικά των φίλτρων ροής τοιχώµατος [26, 37, 43-54]. Τα φίλτρα από κεραµικό αφρό µε µέγεθος πόρων αρκετά µικρό ώστε να επιτύχουν ικανοποιητικό βαθµό απόδοσης διήθησης, επιδεικνύουν σχετικά υψηλή πτώση πίεσης κυρίως λόγω της ύπαρξης κλειστών πόρων. Επιπλέον, σε αυτά τα φίλτρα παρατηρήθηκε µείωση της απόδοσης διήθησης και διαφυγή αιθάλης (blow-off) σε κάποιες συνθήκες [55]. Σηµαντικό µειονέκτηµα των κεραµικών αφρών είναι και οι περιορισµοί στο σχήµα του φίλτρου µε αποτέλεσµα να είναι δύσκολο να επιτευχθεί µεγάλη επιφάνεια διήθησης στον περιορισµένο χώρο των εφαρµογών σε οχήµατα [1]. Το πλεονέκτηµα του µεταλλικού έναντι των κεραµικών αφρών είναι η πολύ καλύτερης ακρίβειας δοµή του µε πολύ λιγότερες ατέλειες και εποµένως µικρότερη πτώση πίεσης όταν διαρρέεται από ρευστό κάτι που είναι σηµαντικό στα συστήµατα αντιρρύπανσης [1]. Συµπερασµατικά, µπορούν να αναφερθούν τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά του µεταλλικού αφρού σε σύγκριση µε τα άλλα υλικά. Ικανοποιητικές θερµικές ιδιότητες. Η µικρή θερµοχωρητικότητα µπορεί να δώσει µεγάλο πλεονέκτηµα κατά την ψυχρή εκκίνηση [42]. Πολύ µεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και καλύτερη επαφή καυσαερίου-αιθάλης µε τον καταλύτη σε σχέση µε τα συµβατικά κεραµικά υλικά. Αυτό είναι ένα πολλά υποσχόµενο χαρακτηριστικό για αποδοτικότερη καταλυτική δράση και παθητική αναγέννηση.

42 26 Καλύτερη δοµή χωρίς ατέλειες σε σχέση µε τους κεραµικούς αφρούς και εποµένως µικρότερη πτώση πίεσης. Μεγάλη ευελιξία στην κατασκευή όσον αφορά το πορώδες και την επίστρωση. Αυτό σηµαίνει ότι µπορούν να κατασκευαστούν καταλύτες ή φίλτρα µε µεταβλητό µέγεθος πόρων και συγκέντρωση επίστρωσης. Ανάλογα µε τις απαιτήσεις της εφαρµογής, υπάρχει η δυνατότητα κατασκευής τόσο ανοιχτών όσο και κλειστών φίλτρων. Το µεγάλο µέγεθος πόρων και η διήθηση βάθους υπόσχεται χαµηλή πτώση πίεσης όµως παραµένει ερωτηµατικό πόσο υψηλοί βαθµοί απόδοσης διήθησης µπορούν να επιτευχθούν. Όλα τα παραπάνω, καθιστούν σαφές ότι ο µεταλλικός αφρός είναι ένα πολλά υποσχόµενο υλικό και είναι τουλάχιστον ενδιαφέρον να διερευνηθεί η εφαρµογή του σε συστήµατα αντιρρύπανσης κινητήρων diesel.

43 27 3 Ο µεταλλικός αφρός ως υπόστρωµα οξειδωτικού καταλύτη Επειδή το υλικό που µελετά η εργασία επιδεικνύει πάντα και µια ικανότητα κατακράτησης σωµατιδίων αιθάλης είναι σηµαντικός ο προσδιορισµός των εννοιών του οξειδωτικού καταλύτη και του φίλτρου αιθάλης από αφρό στα πλαίσια της εργασίας. Έτσι, ως οξειδωτικό καταλύτη από αφρό ορίζεται η συσκευή αντιρρύπανσης από µεταλλικό αφρό που µπορεί να πετύχει βαθµό µετατροπής αέριων ρύπων µεγαλύτερο από 8% και βαθµό απόδοσης διήθησης σωµατιδίων έως 3%. Ως φίλτρο αιθάλης από αφρό ορίζεται η συσκευή αντιρρύπανσης από µεταλλικό αφρό που µπορεί να πετύχει βαθµό απόδοσης διήθησης σωµατιδίων µεγαλύτερο από 8%. 3.1 ιερεύνηση βασικών παραµέτρων λειτουργίας Σε αυτό το κεφάλαιο διερευνώνται οι βασικές παράµετροι λειτουργίας του µεταλλικού αφρού ως υποστρώµατος οξειδωτικού καταλύτη. Ο βασικός στόχος είναι να µελετηθεί η καταλυτική δράση διαφόρων τύπων επιστρώσεων σε διαφορετικές συγκεντρώσεις και µε διαφορετική ποσότητα καταλύτη. Οι πληροφορίες αυτές θα χρησιµέψουν στην επιλογή των κατάλληλων επιστρώσεων ή των συνδυασµών τους για κάθε εφαρµογή. Να σηµειωθεί ότι, όταν ήταν δυνατό και για λόγους σύγκρισης, έγιναν αντίστοιχες µετρήσεις σε κεραµικό οξειδωτικό καταλύτη µε ίδιου τύπου επικαλύψεις. Επιπλέον, διερευνάται η δυνατότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων και η επίδραση της χωρικής ταχύτητας (Space velocity). Ως χωρική ταχύτητα ορίζεται το πηλίκο της ογκοµετρικής παροχής καυσαερίου διά του όγκου της συσκευής αντιρρύπανσης σύµφωνα µε την Εξίσωση 3-1. Χρησιµοποιείται για να εκφράσει την παροχή σε σχέση µε το µέγεθος του καταλύτη [13]. V SV = Εξίσωση 3-1 V r Όπου V είναι η ογκοµετρική παροχή καυσαερίου σε [m 3 /h], V είναι ο όγκος της συσκευής αντιρρύπανσης σε [m 3 ]. Η χωρική ταχύτητα υπολογίζεται µε βάση τις εξωτερικές διαστάσεις της συσκευής αντιρρύπανσης και εκφράζεται σε µονάδες [1/h]. Τα κράµατα που χρησιµοποιήθηκαν ήταν το Inconel και το FeNiCrAl. Οι διαθέσιµοι τύποι επιστρώσεων ήταν αλουµίνα, ζεόλιθος και οξείδια του δηµητρίου και ζιρκονίου. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι επικαλύψεις αυτές ήταν διαθέσιµες από την κατασκευάστρια εταιρεία σε διάφορες συγκεντρώσεις και τύπους και ο καταλύτης της επίστρωσης ήταν λευκόχρυσος (Pt) σε διάφορες συγκεντρώσεις. Όσον αφορά την επίστρωση των αφρών, αυτή µπορεί να γίνει µε δύο µεθόδους. Στην επίστρωση ενός σταδίου ο αφρός εµποτίζεται µε διάλυµα που περιέχει και την επίστρωση και τον καταλύτη. Αντίθετα, στην επίστρωση δύο σταδίων ο αφρός εµποτίζεται µε διάλυµα που περιέχει την επίστρωση και στη συνέχεια µε διάλυµα που περιέχει τον καταλύτη. Θεωρητικά, η δεύτερη µέθοδος εξασφαλίζει τη διασπορά της πλατίνας µόνο στην επιφάνεια της επίστρωσης, άρα και καλύτερη επαφή της µε το καυσαέριο και την αιθάλη αλλά το κόστος της είναι υψηλότερο.

44 28 Σχετικά µε την κατάσταση του αφρού, είναι γνωστό ότι οι καταλυτικές επιστρώσεις αρχικά παρουσιάζουν µια γρήγορη µείωση στην απόδοση τους κατά το πρώτο διάστηµα λειτουργίας τους. Στη συνέχεια φτάνουν σε ένα σταθερό επίπεδο απόδοσης παραµένοντας σε αυτό για µεγάλο χρονικό διάστηµα χρήσης. Ένας καταλύτης χαρακτηρίζεται φρέσκος όταν φτάσει σε αυτό το σταθερό επίπεδο απόδοσης. Η διαδικασία για να φτάσει ένας καταλύτης σε αυτό το επίπεδο µπορεί να γίνει είτε σε κινητήρα εγκατεστηµένο στο δυναµόµετρο είτε σε όχηµα, αλλά η διαδικασία που χρησιµοποιούν συχνά οι κατασκευαστές είναι η θερµική γήρανση στο φούρνο. Αυτό συνηθίζεται ιδιαίτερα κατά την ανάπτυξη ενός καινούργιου καταλύτη. Η θερµική γήρανση γίνεται συνήθως παρουσία αέρα ή και υγρασίας σε θερµοκρασίες 6-9 C. Αυτή η µέθοδος είναι γρήγορη και έχει χαµηλό κόστος, αλλά το µειονέκτηµα της είναι η αβεβαιότητα της αντιστοιχίας της γήρανσης µε τη διάρκεια χρήσης σε πραγµατικές συνθήκες [24]. Εφόσον όλοι οι αφροί που µελετήθηκαν ήταν αχρησιµοποίητοι, έπρεπε να διασφαλιστεί ότι η πειραµατική τους αξιολόγηση θα γινόταν σε κατάσταση σταθερής απόδοσης. Επιλέχθηκε µετά από υπόδειξη της κατασκευάστριας εταιρείας, να γίνεται θέρµανση στους 65 C για 1 ώρα παρουσία αέρα σε όλους του αφρούς. Οι αφροί µετά από αυτή τη διαδικασία θα αναφέρονται στην εργασία ως φρέσκοι αφροί. Η σηµασία της αντοχής ενός καταλύτη είναι σηµαντική και µάλιστα η νοµοθεσία περιλαµβάνει αντίστοιχες προδιαγραφές. Οι απαιτήσεις των προδιαγραφών Euro 4/5 στα επιβατικά οχήµατα είναι η διατήρηση των επιπέδων εκποµπών ρύπων για 5 χρόνια ή 1km και το Euro 6 που θα ισχύσει αργότερα προβλέπει 5 χρόνια ή 16km. Αυτό σηµαίνει ότι τα συστήµατα αντιρρύπανσης των οχηµάτων θα πρέπει να έχουν την κατάλληλη αντοχή έτσι ώστε το όχηµα να πληρεί αυτές τις προδιαγραφές. Σε αυτά τα πλαίσια, η εργασία µελετά την επίδραση της γήρανσης του οξειδωτικού καταλύτη στην καταλυτική απόδοση. Η µέθοδος που πρότεινε η κατασκευάστρια εταιρεία και που χρησιµοποιείται συχνά στη βιοµηχανία, είναι η θερµική γήρανση η οποία αποτελεί και µια από τις βασικότερες αιτίες γήρανσης του καταλύτη. Κατά τη λειτουργία σε υψηλές θερµοκρασίες, µπορoύν να συµβούν αλλαγές στη δοµή των καταλυτικών συστατικών ή της επίστρωσης λόγω πυροσυσσωµάτωσης (sintering). Με αυτό τον τρόπο µειώνονται το µέγεθος και ο αριθµός των πόρων µε αποτέλεσµα τη µείωση της επιφάνειας των καταλυτικών συστατικών και της επίστρωσης. Έτσι, δυσχερένεται η επαφή µε τους αέριους ρύπους του καυσαερίου και εποµένως χειροτερεύει η οξειδωτική απόδοση του καταλύτη [24]. Η µέθοδος γήρανσης που χρησιµοποιήθηκε είναι θέρµανση στους 75 C για 24 ώρες παρουσία αέρα και οι αφροί µετά από αυτή τη διαδικασία θα αναφέρονται ως γηρασµένοι. Ο Πίνακας 4 παρουσιάζει όλα τα στοιχεία της ονοµασίας ενός µεταλλικού αφρού που τον χαρακτηρίζουν πλήρως. Για παράδειγµα, ο αφρός µε την ονοµασία Inconel/45/1.6/W5a/P2.5/2s/aged είναι ένας αφρός κράµατος Inconel, µε µέγεθος πόρων 45 µm, πάχους 1.6 mm, µε επίστρωση αλουµίνας σε συγκέντρωση 5 g/l, συγκέντρωση πλατίνας 2.5 g/l, έχει επικαλυφθεί σε 2 στάδια και είναι γηρασµένος. Να σηµειωθεί ότι η συγκέντρωση αναφέρεται πάντα στον συνολικό όγκο του αφρού.

45 29 Πίνακας 4 Χαρακτηριστικό Τύπος κράµατος Εύρος Inconel, FeNiCrAl Μέγεθος πόρων µm Πάχος 1.6 mm (45 µm) 1.9 mm (58 µm) 2.5 mm (8 µm) 3 mm (12 µm) Συγκέντρωση επίστρωσης Τύπος επίστρωσης g/l Επίστρωση a (αλουµίνα) Επίστρωση b (ζεόλιθος) Επίστρωση c (δηµήτριο-ζιρκόνιο) Συγκέντρωση καταλύτη Τύπος καταλύτη Τρόπος επίστρωσης Κατάσταση.15-5 g/l Pt Σε 1 ή 2 βήµατα Φρέσκος ή γηρασµένος Οι πειραµατικές µετρήσεις έγιναν στη διάταξη µικρής κλίµακας λόγω της δυνατότητας καλύτερου ελέγχου όλων των συνθηκών λειτουργίας. Στόχος ήταν η αξιολόγηση της καταλυτικής δράσης µε την εύρεση της θερµοκρασίας ενεργοποίησης (light off temperature) για την οξείδωση του CO, NO και υδρογονανθράκων. Οι µετρήσεις γίνονται µε δίσκους µεταλλικού αφρού διαµέτρου 18 mm που είναι τοποθετηµένοι στο φούρνο σε ειδικό ανοξείδωτο κάνιστρο. Το συνολικό µήκος που δηµιουργούν οι δίσκοι αφρού είναι 25 mm. Κατά τη διάρκεια του πειράµατος ο µεταλλικός αφρός διαρέεται από πραγµατικό καυσαέριο το οποίο δειγµατοληπτείται από την εξάτµιση κινητήρα diesel µετά από µη καταλυτικό φίλτρο αιθάλης. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί η συλλογή αιθάλης στον αφρό και πιθανή οξείδωση της µε το NO 2 του καυσαερίου κατά τη διάρκεια του πειράµατος. Κάτι τέτοιο θα µπορούσε να επηρεάσει της συγκεντρώσεις CO και NO και να δώσει λανθασµένη πληροφορία για την καταλυτική απόδοση της επίστρωσης.

46 Επίδραση της παροχής καυσαερίου Σε αυτή την παράγραφο διερευνάται η επίδραση της δοµής του αφρού (µέγεθος πόρων) στη µεταφορά µάζας και γίνεται σύγκριση µε τα συµβατικά κεραµικά υποστρώµατα διαµπερούς ροής. Η εξίσωση µεταφοράς µάζας εκφράζεται από την Εξίσωση 3-2. ( u c ) g, s s g = k j S ( c c ) g, j s, j Εξίσωση 3-2 Όπου S είναι η ειδική επιφάνεια, u g,s είναι η ταχύτητα του αερίου, c g,j η συγκέντρωση του αερίου j στο αέριο, c s,j η συγκέντρωση του αερίου j στη στερεά επιφάνεια. Ο συντελεστής µεταφοράς µάζας k j στον αφρό εκφράζεται από την Εξίσωση 3-3 [7, 23]. k i = Sh Di d s Εξίσωση 3-3 Όπου Sh είναι ο αριθµός Sherwood, D i είναι η διαχυτότητα κάθε αερίου και d s είναι η µέση διάµετρος των ακµών των πόρων (η γεωµετρία και οι ακµές των πόρων περιγράφονται στην παράγραφο 2.1). Ο αριθµός Sherwood δίνεται από την Εξίσωση 3-4. Sh i.43 1 = A Re Sc 3 Εξίσωση 3-4 i Όπου Α είναι παράγοντας που προκύπτει από τη βαθµονόµηση σύµφωνα µε τα πειραµατικά δεδοµένα, Re είναι ο αριθµός Reynolds και Sc είναι ο αριθµός Schmidt ο οποίος δίνεται από την Εξίσωση 3-5. Sc i = µ Εξίσωση 3-5 ρ D g i Όπου µ είναι το δυναµικό ιξώδες, ρ g είναι η πυκνότητα D i είναι η διαχυτότητα κάθε αερίου. Όπως φαίνεται παραπάνω, ο συντελεστής µεταφοράς µάζας είναι αντιστρόφως ανάλογος προς τη διάµετρο των ακµών d s. Σε αυτό το σηµείο υπενθυµίζεται (Εικόνα 2-5) ότι όσο µικρότερο είναι το µέγεθος των πόρων του αφρού, τόσο µικρότερη είναι και η διάµετρος των ακµών των πόρων. Άρα, όσο αυξάνεται το µέγεθος των πόρων, τόσο µειώνεται ο συντελεστής µεταφοράς µάζας. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τις πειραµατικές µετρήσεις µε καυσαέριο σε υψηλή θερµοκρασία (συνεχώς πάνω από 5 C), έτσι ώστε ο ρυθµός των οξειδωτικών αντιδράσεων να ελέγχεται από την µεταφορά µάζας. Τα παρακάτω διαγράµµατα αφορούν µετρήσεις µε αφρούς που είχαν πανοµοιότυπη επίστρωση (ζεόλιθος 25 g/l, Pt 1.7 g/l) αλλά διαφορετικό µέγεθος πόρων. Επίσης, συγκρίνεται και η απόδοση ενός οξειδωτικού καταλύτη διαµπερούς ροής από κορδιερίτη µε πυκνότητα κελιών 4 cpsi µε την ίδια επίστρωση. Η σύσταση του καυσαερίου ήταν 17 ppm CO και 8 ppm HC. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3-1 (α), ο βαθµός µετατροπής του CO µειώνεται µε την

47 31 αύξηση της χωρικής ταχύτητας. Οι αφροί µε µέγεθος πόρων 45 µm και 58 µm παρουσιάζουν περίπου την ίδια συµπεριφορά, ενώ για αραιότερες δοµές (8 και 12 µm) ο βαθµός µετατροπής κυµαίνεται σε χαµηλότερα επίπεδα. Η ίδια τάση παρατηρείται και για την περίπτωση των υδρογονανθράκων, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3-1 (β), µε τη διαφορά ότι η επίδραση της ταχύτητας είναι µεγαλύτερη λόγω της µικρότερης διαχυτότητας τους. Όσον αφορά τη σύγκριση µε τον κορδιερίτη η υπεροχή των αφρών είναι εµφανής τόσο στη µετατροπή του CO όσο και των υδρογονανθράκων. Η ταχύτητα στην οποία η µετατροπή του CO πέφτει στο 8% για τον αφρό 58 µm, είναι περίπου πέντε φορές µεγαλύτερη από αυτή του κορδιερίτη. Αυτή η συµπεριφορά είναι πολλά υποσχόµενη για µείωση του απαιτούµενου όγκου του καταλύτη και της ποσότητας των πολύτιµων µετάλλων και εποµένως και του κόστους Βαθµός µετατροπής % Κορδιερίτης 4 cpsi.e+ 5.E+5 1.E+6 1.5E+6 2.E+6 2.5E+6 3.E+6 3.5E+6 4.E+6 Χωρική ταχύτητα [1/h] (α) Βαθµός µετατροπής % Κορδιερίτης 4 cpsi 2 1.E+ 5.E+5 1.E+6 1.5E+6 2.E+6 2.5E+6 3.E+6 3.5E+6 4.E+6 Χωρική ταχύτητα [1/h] (β) Εικόνα 3-1 Βαθµός µετατροπής σε σχέση µε την χωρική ταχύτητα για το CO (α) και τους υδρογονάνθρακες (β)

48 Χαρακτηρισµός επιστρώσεων Το πειραµατικό πρωτόκολλο που χρησιµοποιήθηκε για το χαρακτηρισµό των επιστρώσεων αποτελείται από τα παρακάτω βήµατα. 1. Θέρµανση ως τους 43 C (χωρική ταχύτητα 8h -1 ) 2. Ψύξη µέχρι τους 1 C (χωρική ταχύτητα 8h -1 ) 3. Θέρµανση ως τους 43 C (χωρική ταχύτητα 8h -1 ) 4. Ψύξη µέχρι τους 1 C (χωρική ταχύτητα 8h -1 ) 5. Θέρµανση ως τους 43 C (χωρική ταχύτητα 5h -1 ) 6. Ψύξη µέχρι τους 1 C (χωρική ταχύτητα 5h -1 ) Στο βήµα 1 γίνεται καθαρισµός των πιθανών προσροφηµένων υδρογονανθράκων και της υγρασίας. Από τα βήµατα 2, 3 και 4 προκύπτουν οι καµπύλες βαθµού µετατροπής του CO, NO και HC σε σχέση µε τη θερµοκρασία (light off curves) για χωρική ταχύτητα (8h -1 ). Στα βήµατα 5 και 6 γίνεται το ίδιο για µικρότερη χωρική ταχύτητα (5h -1 ). Οι συγκεντρώσεις στην είσοδο κατά τη διάρκεια της µέτρησης παραµένουν σταθερές και είναι για το CO 16ppm, για το NO 31ppm και για τους υδρογονάνθρακες 75ppm. Στην Εικόνα 3-2 (α) παρατίθεται µια τυπική µέτρηση σε χωρική ταχύτητα 8h -1 µε έναν αφρό 58/P2.5/W5a/2s. Ο ρυθµός αύξησης της θερµοκρασίας ήταν ίσος µε 15-2 C/min και η µέγιστη θερµοκρασιακή διαφορά εισόδου-εξόδου ήταν 1 C. Οι συγκεντρώσεις εξόδου µειώνονται όταν ο καταλύτης θερµαίνεται και προσεγγίζουν τις αντίστοιχες στην είσοδο σε χαµηλές θερµοκρασίες. Κατά τη θέρµανση (περίπου στα 18 sec) η συγκέντρωση εξόδου HC ξεπερνά για λίγο αυτή της εισόδου, κάτι που οφείλεται στην εκρόφηση των προσροφηµένων υδρογονανθράκων. Οι βαθµοί µετατροπής για τα τρία αέρια σε σχέση µε θερµοκρασία εισόδου για τη συγκεκριµένη µέτρηση παρουσιάζονται στην Εικόνα 3-2 (β). Εµφανίζεται µια σηµαντική διαφορά µεταξύ της καµπύλης κατά τη θέρµανση και την ψύξη. Η διαφορά αυτή µπορεί να αποδοθεί στο διαφορετικό ρυθµό µεταβολής της θερµοκρασίας κατά τη θέρµανση και την ψύξη που µπορεί να έχει ως αποτέλεσµα διαφορετική θερµοκρασιακή ανοµοιοµορφία του αφρού. Επιπλέον, η καµπύλη αφορά τη θερµοκρασία εισόδου, η οποία όµως µπορεί να έχει κάποια διαφορά µε τη θερµοκρασία του αφρού, ιδιαίτερα κατά τη φάση της ψύξης. Όµως, επειδή αυτή η διαφορά στο συγκεκριµένο είδος µέτρησης είναι µικρή µπορεί να υποτεθεί ότι η κύρια αιτία είναι η παρεµπόδιση των αντιδράσεων οξείδωσης από τους προσροφηµένους υδρογονάνθρακες κατά τη φάση της θέρµανσης. Αυτό συνήθως δεν παρατηρείται κατά την ψύξη διότι η προσρόφηση αρχίζει να πραγµατοποιείται αφού ο καταλύτης έχει απενεργοποιηθεί. Αυτός είναι και ο λόγος που θεωρείται πιο αξιόπιστη η θερµοκρασία ενεργοποίησης που προσδιορίζεται από την καµπύλη µετατροπής κατά την ψύξη. Ο βαθµός µετατροπής αυξάνεται απότοµα σε κάποια θερµοκρασία η οποία λέγεται

49 33 θερµοκρασία ενεργοποίησης. Στη συνέχεια ο βαθµός µετατροπής του CO και HC φτάνει στη µέγιστη τιµή του και παραµένει εκεί για υψηλότερες θερµοκρασίες. Παρατηρείται ότι η οξείδωση του CO είναι πλήρης µετά την ενεργοποίηση του καταλύτη, ενώ αυτό δεν ισχύει για τους υδρογονάνθρακες. Αυτό συµβαίνει επειδή για κάποια συγκεκριµένα είδη υδρογονανθράκων δεν είναι εύκολο να γίνει διάχυση µέσα στην επίστρωση και να έρθουν σε επαφή µε τα πολύτιµα µέταλλα [2, 56]. Μια άλλη παρατήρηση όσον αφορά τους υδρογονάνθρακες είναι η αρνητική απόδοση που παρατηρείται κατά τη θέρµανση από τους 15 έως τους 25 C. Αυτό οφείλεται στην εκρόφηση που περιγράφηκε παραπάνω. Μάλιστα, στο συγκεκριµένο πείραµα, φαίνεται ότι οι προσροφήσεις επηρεάζουν σηµαντικά τις οξειδωτικές αντιδράσεις, αφού η ολοκλήρωση της εκρόφησης συµπίπτει µε την ενεργοποίηση της οξείδωσης του CO και του NO. Οι καµπύλες µετατροπής του ΝΟ συµπεριφέρονται διαφορετικά, µε τη µέγιστη µετατροπή να είναι σαφώς χαµηλότερη, αφού περιορίζεται από τις συνθήκες θερµοδυναµικής ισορροπίας. Από το µέγιστο σηµείο που παρατηρείται περίπου στους 37 C ο βαθµός οξείδωσης του NO προς NO 2 αρχίζει να µειώνεται λόγω αντιστροφής της φοράς της αντίδρασης και της διάσπασης του NO 2 προς NO. Στην Εικόνα 3-2 (γ) συγκρίνεται ο βαθµός µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία για κάθε αέριο σε δύο χωρικές ταχύτητες. Ο αυξηµένος χρόνος παραµονής επηρεάζει τη θερµοκρασία ενεργοποίησης στη µικρή ταχύτητα των 5h -1 αφού εµφανίζεται ελαφρώς χαµηλότερη σε σχέση µε την αντίστοιχη 8h -1.

50 34 Θερµοκρασία [ C], CO, NO, HC [ppm] Θέρµανση Ψύξη Τεισ. COεισ. NOεισ. HCεισ. Τεξ. COεξ. NOεξ. HCεξ Χρόνος [s] (α) Βαθµός µετατροπής % CO (Θέρµανση) CO (Ψύξη) NO (Θέρµανση) NO (Ψύξη) HC (Θέρµανση) HC (Ψύξη) Θερµοκρασία [ C] (β) Βαθµός µετατροπής % CO (8) CO (5) NO (8) NO (5) HC (8) HC (5) Θερµοκρασία [ C] (γ) Εικόνα 3-2 Μέτρηση καταλυτικής απόδοσης (α), καµπύλες βαθµού µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία (β), καµπύλες βαθµού µετατροπής σε δύο ταχύτητες καυσαερίου (γ)

51 35 Με αυτό το είδος πειραµατικών µετρήσεων είναι δυνατό να προσδιοριστεί η θερµοκρασία ενεργοποίησης για το CO, το NO και τους υδρογονάνθρακες. Ορίζεται ως θερµοκρασία ενεργοποίησης, η θερµοκρασία για την οποία ο βαθµός µετατροπής του CO και των υδρογονανθράκων είναι 5% (και θα αναφέρεται ως Τ5) και για το ΝΟ 3% (Τ3). Υπενθυµίζεται ότι ως θερµοκρασία ενεργοποίησης αναφέρεται αυτή που προκύπτει από την καµπύλη µετατροπής κατά την ψύξη. Στα παρακάτω διαγράµµατα για λόγους χώρου και αναγνωσιµότητας θα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα µόνο για τη χωρική ταχύτητα των 8h -1. Χρησιµοποιώντας τη µέθοδο που περιγράφηκε, µελετήθηκε η επίδραση διαφόρων χαρακτηριστικών του αφρού στη θερµοκρασία ενεργοποίησης και εποµένως στην καταλυτική απόδοση του αφρού. Η ποσότητα των πολύτιµων µετάλλων είναι ασφαλώς σηµαντική τόσο για την επίτευξη αποτελεσµατικής οξείδωσης σε χαµηλές θερµοκρασίες, όσο και για το συνολικό κόστος του καταλύτη. Η επίδραση που έχει η συγκέντρωση πλατίνας στη θερµοκρασία ενεργοποίησης για αφρούς µε ίδια επίστρωση 58/W5a/2s παρατίθεται στην Εικόνα 3-3. Όπως αναµενόταν, µεγαλύτερη συγκέντρωση Pt σηµαίνει και περισσότερες θέσεις που είναι διαθέσιµες στην επιφάνεια της επίστρωσης άρα ευκολότερη πρόσβαση των αερίων ρύπων στην πλατίνα και έτσι η θερµοκρασία ενεργοποίησης µειώνεται. Παρατηρείται, ότι οι δύο χαµηλές συγκεντρώσεις 1.25 και 2.5 g/l έχουν συγκρίσιµη απόδοση και εποµένως σε εφαρµογές που δεν απαιτούν µεγάλες ποσότητες πλατίνας, όπως τα καταλυτικά φίλτρα αιθάλης είναι προτιµότερη η χρήση της πρώτης που επιτυγχάνει παρόµοια απόδοση µε µικρότερο κόστος. Όσον αφορά όµως τη χρήση σε οξειδωτικούς καταλύτες προτείνεται η συγκέντρωση των 5 g/l που δίνει τις χαµηλότερες θερµοκρασίες ενεργοποίησης για όλα τα αέρια. Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % g/l 2.5 g/l 3.75 g/l 5 g/l T5 CO T5 HC T3 NO Μέγ. NO % Εικόνα 3-3 Επίδραση της συγκέντρωσης καταλύτη Από την Εικόνα 3-4 προκύπτει η επίδραση της συγκέντρωσης της επίστρωσης. Η σύγκριση γίνεται για αφρούς 58/P2.5/2s µε µόνη διαφορά τη συγκέντρωση της επίστρωσης από

52 36 αλουµίνα. Η επίστρωση των 25 g/l που έχει την καλύτερη απόδοση, δείχνει να επαρκεί ώστε να καλύψει πλήρως την επιφάνεια του υποστρώµατος και αυτό αποδεικνύεται και από φωτογράφηση SEM που έγινε σε καταλυτικούς αφρούς. Έτσι, δεν τίθεται θέµα ώστε αυξηµένη συγκέντρωση να σηµαίνει και καλύτερη κάλυψη του αφρού. Εφόσον το µέγεθος πόρων, η διάµετρος των ακµών των πόρων του υποστρώµατος και ο όγκος του αφρού είναι πάντα ίδιος, αυξηµένη συγκέντρωση αλουµίνας σηµαίνει µεγαλύτερο πάχος της επίστρωσης. Αυτό έχει ταυτόχρονα αρνητική και θετική επίπτωση στην καταλυτική απόδοση. Αφενός, το αυξηµένο πάχος σηµαίνει ότι αυξάνεται η διάµετρος των ακµών των πόρων, δηλαδή αυξάνεται και η συνολική ειδική επιφάνεια S της επίστρωσης ευνοώντας το ρυθµό µεταφοράς µάζας όπως φαίνεται και από την Εξίσωση 3-2. Από την άλλη µεριά όµως, λόγω του µεγαλύτερου πάχους αυξάνεται και η αντίσταση στη διάχυση των αερίων µέσα στην επίστρωση ώστε να έρθουν σε επαφή µε τις περιοχές που υπάρχουν τα πολύτιµα µέταλλα. Επιπλέον, αυξηµένη διάµετρος ακµών σηµαίνει µείωση του συντελεστή µεταφοράς µάζας, όπως περιγράφεται παραπάνω από την Εξίσωση 3-3. Από ότι φαίνεται τα δύο τελευταία φαινόµενα είναι ισχυρότερα και έτσι συνολικά η απόδοση του καταλύτη χειροτερεύει όσο αυξάνεται η συγκέντρωση της επίστρωσης. Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % g/l 5 g/l 8 g/l 1 g/l 5 47 T5 CO T5 HC T3 NO Μέγ. NO % Εικόνα 3-4 Επίδραση της συγκέντρωσης της επίστρωσης Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, υπάρχουν δύο µέθοδοι επίστρωσης του αφρού. Θεωρητικά, η µέθοδος των δύο βηµάτων προσφέρει καλύτερη διασπορά των πολύτιµων µετάλλων στην επιφάνεια της επίστρωσης. Με σκοπό να διερευνηθεί αν αυτό το πλεονέκτηµα αξίζει το επιπρόσθετο κόστος κατασκευής ενός καταλυτικού αφρού, πραγµατοποιήθηκαν συγκριτικές δοκιµές µε αφρούς που είχαν ίδια επίστρωση 58/P2.5/W5a όµως διαφορετική µέθοδο επίστρωσης. Στην Εικόνα 3-5 παρατηρείται ότι η συµπεριφορά των δύο αφρών είναι σχεδόν ίδια σε όλες τι περιπτώσεις. Έτσι προκύπτει το συµπέρασµα ότι είναι προτιµότερος ο αφρός µε επίστρωση σε ένα βήµα αφού µπορεί να επιτύχει ίδια καταλυτική απόδοση µε µικρότερο κόστος κατασκευής.

53 37 Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % βήµα 2 βήµατα 58 T5 CO T5 HC T3 NO Μέγ. NO % Εικόνα 3-5 Επίδραση της µεθόδου επίστρωσης Η επίδραση του µεγέθους των πόρων του αφρού µελετήθηκε σε αφρούς µε πανοµοιότυπη επίστρωση P2.5/W5a/2s. Παρατηρώντας στην Εικόνα 3-6 την απόδοση των αφρών µε µέγεθος πόρων 58, 8 και 12 µm συµπεραίνεται ότι όσο µεγαλύτερο το µέγεθος των πόρων τόσο χαµηλότερη η θερµοκρασία ενεργοποίησης. Εδώ υπάρχουν δύο φαινόµενα τα οποία δρουν αµφίδροµα. Όπως φαίνεται και στην παράγραφο (Εικόνα 2-5) όσο µικρότερο είναι το µέγεθος των πόρων του αφρού, τόσο µικρότερη είναι και η διάµετρος των ακµών των πόρων. Εφόσον η συγκέντρωση της επίστρωσης και ο όγκος του αφρού είναι ίδιος για όλα τα µεγέθη πόρων που µελετάµε, αυτό σηµαίνει ότι η ίδια µάζα επίστρωσης θα προστεθεί σε όλους τους αφρούς. Έτσι, όσο πιο µικρή είναι η διάµετρος των ακµών, τόσο πιο µεγάλο θα είναι το πάχος της επίστρωσης. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, αυτό δυσχεραίνει τη διάχυση των αερίων µέσα στην επίστρωση και χειροτερεύει την καταλυτική απόδοση. Από την άλλη πλευρά όµως, ο συντελεστής µεταφοράς µάζας (Εξίσωση 3-3) είναι αντιστρόφως ανάλογος προς την διάµετρο της ακµής. ηλαδή όσο µικρότερη η ακµή και συνεπώς και το µέγεθος των πόρων, τόσο ευνοείται η µεταφορά µάζας. Όπως φαίνεται το πρώτο φαινόµενο είναι ισχυρότερο σε αυτού του είδους τις πειραµατικές µετρήσεις και έτσι οι αφροί µε µεγαλύτερο µέγεθος πόρων έχουν καλύτερη καταλυτική απόδοση. Για την καλύτερη µελέτη της επίδρασης του µεγέθους των πόρων κρίνεται σκόπιµο να διεξαχθούν και συγκριτικές µετρήσεις µε αφρούς οι οποίοι θα έχουν το ίδιο πάχος επίστρωσης.

54 38 Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % µm 8µm 12µm T5 CO T5 HC T3 NO Μέγ. NO % Εικόνα 3-6 Επίδραση του µεγέθους πόρων Είναι γνωστό ότι οι καταλυτικές επιστρώσεις περιέχουν συνήθως πολλά συστατικά, τα οποία έχουν διαφορετική χρησιµότητα. Τα πολύτιµα µέταλλα και κυριότερα η πλατίνα χρησιµεύει στην οξείδωση των αέριων ρύπων σε χαµηλές θερµοκρασίες και συχνά συνδυάζεται µε το δηµήτριο και το ζιρκόνιο για την οξείδωση του πτητικού µέρους της αιθάλης (SOF). Μια από τις πιο συνήθεις επιστρώσεις είναι η αλουµίνα/pt µε συγκέντρωση πλατίνας από 1 έως και 5 g/l. Η λειτουργία του ζεολίθου ως παγίδας υδρογονανθράκων είναι ευρέως γνωστή και πλέον χρησιµοποιείται σχεδόν σε όλους τους οξειδωτικούς καταλύτες για τη βελτίωση της απόδοσης κατά την ψυχρή εκκίνηση [57]. Με στόχο την επιλογή της κατάλληλης επίστρωσης για την εφαρµογή σε οξειδωτικούς καταλύτες, έγινε σύγκριση των τριών τύπων επίστρωσης που ήταν διαθέσιµες, οι οποίες είναι και οι πιο διαδεδοµένες στις εφαρµογές αντιρρύπανσης καυσαερίου diesel. Πρόκειται για επιστρώσεις µε βελτιστοποιηµένες µεθόδους εµποτισµού για εφαρµογή σε καταλύτες. Ο αφρός είναι ίδιος και στις τρεις περιπτώσεις, 58/P2.5/W5/2s µε πλατίνα ως καταλύτη και µε µόνη διαφορά τον τύπο της επίστρωσης. Στην Εικόνα 3-7 συγκεντρώνονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα για επίστρωση αλουµίνας, ζεολίθου και δηµητρίου-ζιρκονίου. Η αλουµίνα έχει την καλύτερη συνολική απόδοση (189 C Τ5 CO) και ακολουθεί ο ζεόλιθος όχι σε µεγάλη απόσταση (197 C Τ5 CO). Από ότι φαίνεται η επίστρωση δηµητρίουζιρκονίου δεν είναι κατάλληλη για εφαρµογή σε καταλύτες και ίσως είναι καλύτερο να χρησιµοποιηθεί σε επιστρώσεις φίλτρων αιθάλης µια που, όπως είναι γνωστό, έχει τη δυνατότητα να υποβοηθά την παθητική αναγέννηση. Επίσης, προκύπτει ότι η αλουµίνα και ο ζεόλιθος έχουν πολύ καλή απόδοση στην οξείδωση του ΝΟ προς ΝΟ 2, κάτι που µπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιµο στην περίπτωση που ένα φίλτρο αιθάλης είναι τοποθετηµένο κατάντη του καταλύτη. Συµπερασµατικά και οι δύο επιστρώσεις είναι κατάλληλες για την εφαρµογή. Επειδή όµως η δυνατότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων είναι πλέον απαραίτητη προκειµένου να επιτευχθούν τα χαµηλά όρια εκποµπών της νοµοθεσίας, η χρήση του ζεολίθου είναι αναγκαία, έτσι θα πρέπει να

55 39 διερευνηθεί η δυνατότητα συνδυασµού των δύο επιστρώσεων για ακόµα καλύτερη απόδοση. Αυτό είναι κάτι που διερευνάται στην παράγραφο Al2O3 Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % Ζεόλιθος Ce-Zr 58 3 T5 CO T5 HC T3 NO Μέγ. NO % Εικόνα 3-7 Επίδραση του τύπου της επίστρωσης Στην Εικόνα 3-8 παρουσιάζονται πειραµατικά αποτελέσµατα από µετρήσεις µε φρέσκους και γηρασµένους αφρούς 58µm/P.9/W5b/1s. Επίσης στην ίδια εικόνα περιλαµβάνεται και η απόδοση ενός κεραµικού καταλύτη από κορδιερίτη ο οποίος είχε πανοµοιότυπη επίστρωση µε τους αφρούς. Όπως προκύπτει από τη σύγκριση σε φρέσκια κατάσταση ο κορδιερίτης έχει σαφώς καλύτερη απόδοση χωρίς βέβαια η απόσταση να είναι µεγάλη (5% στο Τ5 CO, 14% στο Τ5 HC) ενώ για το ΝΟ, το οποίο δεν αποτελεί πρώτη προτεραιότητα για αυτού του είδους τις επιστρώσεις, η απόδοση τους κυµαίνεται σε παρόµοια επίπεδα. Όσον αφορά την επίδραση της γήρανσης, ο κορδιερίτης επιδεικνύει καλή αντοχή αφού η απόδοση του δεν µειώνεται ιδιαίτερα (1% στο Τ5 CO, 15% στο Τ5 HC). Αντίθετα, η απόδοση του αφρού Inconel µειώνεται τόσο πολύ που η θερµοκρασία ενεργοποίησης για το CO φτάνει τους 37 C. Αυτό σηµαίνει ότι ένας τέτοιος καταλύτης πιθανότατα να µην ενεργοποιούνταν κατά το αστικό κοµµάτι του ευρωπαικού κύκλου οδήγησης στο οποίο παρατηρούνται σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες. Η συµπεριφορά αυτή είναι µη αποδεχτή και για αυτό έγιναν και µετρήσεις µε αφρό FeNiAlCr. Αυτό το κράµα έχει τη δυνατότητα προ-οξείδωσης σε υψηλή θερµοκρασία (9-12 C) για µικρό χρονικό διάστηµα (2-15min) µε στόχο τη δηµιουργία οξειδίων του αλουµινίου που προστατεύουν τον υπόλοιπο αφρό από την επαφή µε το οξυγόνο του καυσαερίου και την οξείδωση. Η επίδραση της γήρανσης στον αφρό FeNiCrAl είναι σαφώς µικρότερη και η απόδοση του (Τ5 CO 219 C) προσεγγίζει αυτή του αντίστοιχου γηρασµένου κορδιερίτη (Τ5 CO 217 C). Το συµπέρασµα που µπορεί να εξαχθεί είναι ότι είναι η δυνατή η κατασκευή µεταλλικών αφρών µε ανταγωνιστική αντοχή στη χρήση σε σχέση τους εµπορικούς κεραµικούς καταλύτες.

56 4 Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % Αφρός Inconel (φρέσκος) Αφρός Inconel (γηρασµένος) Αφρός FeNIAlCr (γηρασµένος) Κορδιερίτης (φρέσκος) Κορδιερίτης (γηρασµένος) T5 CO T5 HC T3 NO Μέγ. NO % Εικόνα 3-8 Σύγκριση µε κεραµικό καταλύτη και επίδραση της γήρανσης Η διάταξη µικρής κλίµακας έχει τη δυνατότητα παροχής συνθετικού αερίου αντί για καυσαέριο. Χρησιµοποιώντας µίγµατα CO/αέρας και NO/αέρας σε διάφορες συγκεντρώσεις στο ίδιο πειραµατικό πρωτόκολλο µπορούν να εξαχθούν χρήσιµα συµπεράσµατα. Επειδή το συνθετικό αέριο δεν περιέχει υγρασία και υδρογονάνθρακες, µπορεί εύκολα να διακριθεί η επίδραση της παρεµπόδισης από την προσρόφηση συγκρίνοντας τα αποτελέσµατα µε τα αντίστοιχα πειράµατα που έγιναν µε καυσαέριο. Επιπλέον, διεξάγοντας µετρήσεις σε διάφορα επίπεδα συγκεντρώσεων εισόδου, υπάρχει η δυνατότητα να µελετηθεί και η επίδραση της συγκέντρωσης του CO και του NO στη θερµοκρασία ενεργοποίησης. Η σύγκριση του βαθµού µετατροπής του αφρού 12/P5./W1b/1s σε ροή καυσαέριου και συνθετικού αερίου, παρουσιάζεται στην Εικόνα 3-9 (α) για το CO και (β) για το NO. Η συγκέντρωση του CO και NO στις µετρήσεις µε το συνθετικό αέριο ήταν ίδιες µε τις µετρήσεις σε καυσαέριο για λόγους σύγκρισης. ιακρίνεται ότι οι καµπύλες του CO κατά τη θέρµανση και ψύξη όσον αφορά το συνθετικό αέριο δεν έχουν διαφορά, όπως αναµενόταν αφού δεν υπάρχει παρεµπόδιση από τις προσροφήσεις, ούτε ανταγωνισµός µε άλλα αέρια. Επίσης, γίνεται αντιληπτό πόσο σηµαντική είναι η παρεµπόδιση αφού η θερµοκρασία ενεργοποίησης είναι για το συνθετικό αέριο στους 7 C, ενώ για το καυσαέριο στους 15 C. Η παρεµπόδιση είναι σηµαντική και στην οξείδωση του NO, αφού το Τ3 µετατοπίζεται κατά 8 C υψηλότερα στη µέτρηση µε το καυσαέριο (18-26 C) και η µέγιστη απόδοση περίπου 25% χαµηλότερα.

57 Βαθµός µετατροπής % Συνθετικό αέριο Καυσαέριο Θέρµανση (Καυσαέριο) Ψύξη (Καυσαέριο) Θέρµανση (Συνθετικό αέριο) Ψύξη (Συνθετικό αέριο) Θερµοκρασία [ C] (α) Θέρµανση (Καυσαέριο) Ψύξη (Καυσαέριο) Θέρµανση (Συνθετικό αέριο) Ψύξη (Συνθετικό αέριο) Βαθµός µετατροπής % Καυσαέριο Συνθετικό αέριο Θερµοκρασία [ C] (β) Εικόνα 3-9 Σύγκριση µέτρησης µε καυσαέριο και συνθετικό αέριο του βαθµού µετατροπής CO (α), NO (β) Η επίδραση της συγκέντρωσης στην καµπύλη του βαθµού µετατροπής για έναν αφρό 12/P2.5/W5a/2s προκύπτει από την Εικόνα 3-1 (α) για το CO και (β) για το NΟ. Εφόσον δεν υπάρχει παρεµπόδιση, οι καµπύλες θέρµανσης και ψύξης είναι αρκετά κοντά και οι όποιες µικρές διαφορές πιθανόν να οφείλονται στο διαφορετικό ρυθµό µεταβολής της θερµοκρασίας. Οι µετρήσεις µε CO έγιναν για 17, 48 και 94 ppm και όπως ήταν αναµενόµενο η αύξηση της συγκέντρωσης µετατοπίζει υψηλότερα τη θερµοκρασία ενεργοποίησης. Το ίδιο συµβαίνει και για το NO µε 26, 51 και 94 ppm, αφού η Τ3 αυξάνεται µε τη συγκέντρωση και η µέγιστη απόδοση µειώνεται. Κλείνοντας, παρατίθενται στην Εικόνα 3-1 (γ) τα συνολικά αποτελέσµατα της θερµοκρασίας ενεργοποίησης Τ5 για το CO, Τ3 για το NO και µέγιστου βαθµού µετατροπής του NO.

58 42 Βαθµός µετατροπής % ppm 48ppm 94ppm Θέρµανση (17ppm) Ψύξη (17ppm) Θέρµανση (48ppm) Ψύξη (48ppm) Θέρµανση (94ppm) Ψύξη (94ppm) Θερµοκρασία [ C] (α) Βαθµός µετατροπής % Θέρµανση (26ppm) Ψύξη (26ppm) Θέρµανση (51ppm) Ψύξη (51ppm) Θέρµανση (94ppm) Ψύξη (94ppm) 51ppm 94ppm 26ppm Θερµοκρασία [ C] (β) Θερµοκρασία [ C], Βαθµός µετατροπής % Τ5 CO Τ3 NO Μέγ. µετατροπή NO Συγκέντρωση [ppm] (γ) Εικόνα 3-1 Επίδραση της συγκέντρωσης στην καµπύλη µετατροπής του CO (α), του NO (β), στη θερµοκρασία ενεργοποίησης (γ)

59 Προσρόφηση υδρογονθράκων Όπως προαναφέρθηκε, η ικανότητα που έχουν τα πορώδη υλικά και ειδικότερα ο ζεόλιθος να προσροφά υδρογονάνθρακες σε χαµηλή θερµοκρασία είναι γνωστή και αξιοποιείται σχεδόν σε όλους τους οξειδωτικούς καταλύτες, ώστε να παγιδευτούν οι υψηλές συγκεντρώσεις HC κατά την ψυχρή εκκίνηση. Κατά τη διαδικασία της προσρόφησης το προσροφηµένο συστατικό που βρίσκεται στη στερεά επιφάνεια του ζεολίθου είναι στην υγρή φάση [56]. Αυτό σηµαίνει ότι η προσρόφηση επηρεάζεται από τη θερµοκρασία, αφού το κάθε είδος υδρογονάνθρακα έχει διαφορετικό σηµείο αεριοποίησης. Το καυσαέριο diesel περιέχει τρεις κατηγορίες υδρογονανθράκων. Η πρώτη είναι οι γρήγοροι υδρογονάνθρακες που είναι εύκολο να οξειδωθούν όπως είναι το προπένιο (C 3 H 6 ). Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι προσροφήσιµοι υδρογονάνθρακες όπως είναι το τολουένιο (C 6 H 5 -CH 3 ) και τέλος οι προσροφήσιµοι αλλά αργοί δηλαδή δύσκολο να οξειδωθούν υδρογονάνθρακες όπως είναι το δεκάνιο (C 1 H 22 ) [58]. Συνολικά, οι προσροφήσιµοι υδρογονάνθρακες του καυσαερίου diesel µπορούν να αντιπροσωπευτούν ικανοποιητικά από το δεκάνιο και το τολουένιο [2]. Ο ρυθµός προσρόφησης εξαρτάται από το διαθέσιµο κλάσµα όγκου των πόρων του ζεολίθου που δεν είναι καλυµµένο από υδρογονάνθρακες. Αυτό σηµαίνει ότι όσο περισσότερη ποσότητα ζεολίθου υπάρχει στην επίστρωση, τόσο µεγαλύτερη η ικανότητα παγίδευσης υδρογονανθράκων του καταλύτη. Από την άλλη βέβαια αυτό αυξάνει το κόστος κατασκευής και επιπλέον δυσχεραίνει τη διάχυση των αερίων µέσα στην επίστρωση. Άρα θα πρέπει να γίνει ένας συµβιβασµός όλων των παραµέτρων. Σε υψηλότερες θερµοκρασίες, γίνεται εκρόφηση των προσροφηµένων υδρογονανθράκων. Κατά την αύξηση της θερµοκρασίας, οι προσροφηµένοι υδρογονάνθρακες αεριοποιούνται και διαφεύγουν από το ζεόλιθο. Ο ρυθµός της εκρόφησης εξαρτάται από το κλάσµα όγκου των υδρογονανθράκων που έχουν προσροφηθεί [56]. Η παραπάνω ανάλυση οδηγεί στο συµπέρασµα ότι οι πειραµατικές µετρήσεις προσρόφησης πρέπει να γίνουν για διαφορετικές συγκεντρώσεις υδρογονανθράκων, διαφορετικές θερµοκρασίες προσρόφησης και διαφορετικές ποσότητες ζεολίθου στην επίστρωση. Επειδή δεν υπήρχε δυνατότητα χρήσης συνθετικού αερίου για την επιµέρους µελέτη της προσρόφησης των διαφόρων ειδών υδρογονανθράκων, οι µετρήσεις έγιναν µε πραγµατικό καυσαέριο diesel. Έτσι, διερευνήθηκε η ικανότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων για αφρούς µε επικαλύψεις ζεολίθου σε διαφορετικές συγκεντρώσεις από 25 έως 15 g/l. Επίσης, έγιναν µετρήσεις σε δύο επίπεδα θερµοκρασίας (9 και 12 C) και συγκεντρώσεων εισόδου (1 και 2 ppm). Για λόγους σύγκρισης πραγµατοποιήθηκαν και δοκιµές σύγκρισης µε επικαλύψεις αλουµίνας και δηµητρίουζιρκονίου. Το πρωτόκολλο µέτρησης, για αυτή τη διευρεύνηση είναι το ακόλουθο. 1. Θέρµανση έως τους 45 C µε ροή N Ψύξη µέχρι τη θερµοκρασία-στόχο για την προσρόφηση (9 ή 12 C) µε ροή N Προσρόφηση υδρογονανθράκων σε σταθερή θερµοκρασία (9 ή 12 C) µε ροή καυσαερίου.

60 44 4. Θέρµανση έως τους 45 C µε ροή N 2. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3-11, στο βήµα 1 γίνεται καθαρισµός του αφρού από πιθανές προσροφήσεις υδρογονανθράκων και υγρασίας οι οποίες είναι γνωστό ότι επηρεάζουν την περαιτέρω ικανότητα προσρόφησης [2, 59]. Αυτό είναι σηµαντικό επειδή είναι γνωστό ότι η µέτρηση ξεκινά πάντα µε τον αφρό σε καθαρή κατάσταση. Ο καθαρισµός γίνεται µε θέρµανση έως τους 4 C σε ροή N 2 η οποία συνεχίζεται και στο βήµα 2 κατά την ψύξη στη θερµοκρασία προσρόφησης, ώστε να παραµείνει καθαρός ο αφρός. Στη συνέχεια, κατά το βήµα 3 ο αφρός διαρέεται από καυσαέριο σε χαµηλή θερµοκρασία για να µελετηθεί η προσρόφηση. Αυτό γίνεται για δύο επίπεδα θερµοκρασίας τους 9 και 12 C. Σε αυτό το στάδιο η συγκέντρωση HC στην έξοδο του αφρού είναι µικρότερη από την έξοδο λόγο της προσρόφησης. Με την πάροδο του χρόνου, η συγκέντρωση εξόδου πλησιάζει το επίπεδο της εισόδου. Mόλις η αποθήκη υδρογονανθράκων προσεγγίσει τον κορεσµό, δηλαδή όταν όλοι οι πόροι του ζεολίθου έχουν καλυφθεί και η συγκέντρωση εισόδου πλησιάζει την εξόδο, τότε η ροή ξαναγυρνάει σε άζωτο στο βήµα 4 και ξεκινάει θέρµανση έως τους 4 C όπου και γίνεται η εκρόφηση για να ακολουθήσει η επόµενη µέτρηση. Θερµοκρασία [ C], Βαθµός προσρόφησης %, HC [ppm] Άζωτο Καυσαέριο Τεισ. HC εισ. HC εξ. Βαθµός προσρόφησης Άζωτο Χρόνος [s] Εικόνα 3-11 Μέτρηση προσρόφησης υδρογονανθράκων Στην Εικόνα 3-12 συγκρίνονται τα αποτελέσµατα του βαθµού απόδοσης προσρόφησης, ο οποίος προκύπτει από το λόγο της συγκέντρωσης εξόδου προς τη συγκέντρωση εισόδου και δείχνει τι ποσοστό των υδρογονανθράκων κατακρατείται τη διάρκεια του χρόνου. Υπενθυµίζεται ότι το αστικό κοµµάτι του κύκλου οδήγησης NEDC (New European Driving Cycle), έχει διάρκεια 8 sec. Πολύ σηµαντική κατά τη διάρκεια του αστικού κύκλου είναι η καλή απόδοση προσρόφησης, αφού σε αυτόν παρατηρείται ένα πολύ µεγάλο ποσοστό των συνολικών διαφευγόντων υδρογονανθράκων, λόγω των υψηλών εκποµπών κατά την

61 45 ψυχρή εκκίνηση και της χαµηλής θερµοκρασίας του καταλύτη. Στις µετρήσεις παρατηρείται ότι η απόδοση προσρόφησης δεν ξεκινά από το 1% και ο λόγος είναι ότι µερικά είδη υδρογονανθράκων που υπάρχουν στο καυσαέριο diesel δεν προσροφώνται στο ζεόλιθο [6]. Επίσης, πρέπει να σχολιαστεί ότι κατά τη διάρκεια της προσρόφησης η απόδοση µειώνεται και για να µηδενιστεί απαιτούταν σηµαντικά περισσότερος χρόνος αφού ο κορεσµός προσεγγίζεται ασυµπτωτικά [2]. Στο διάγραµµα (α) φαίνεται η επίδραση της συγκέντρωσης ζεολίθου, που είναι ουσιαστικά ο συνολικός αριθµός των διαθέσιµων πόρων δηλαδή το µέγεθος της αποθήκης υδρογονανθράκων. Η επίστρωση µε τα 25 g/l προσεγγίζει τον κορεσµό ήδη από τα 5 sec, ενώ τα 1 και 15 g/l όπως αναµενόταν [2] έχουν πολύ καλύτερη απόδοση. Σε αυτό το σηµείο θα µπορούσε να πει κάποιος ότι όσο µεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του ζεολίθου, τόσο καλύτερη η απόδοση ενός καταλύτη ως παγίδας υδρογονανθράκων. Όπως προαναφέρθηκε, η αύξηση της συγκέντρωσης αφενός ανεβάζει το κόστος της επίστρωσης και αφετέρου δυσκολεύει τη διάχυση των αέριων ρύπων µέσα στο ζεόλιθο µε αποτέλεσµα την αρνητική επίδραση στην οξειδωτική απόδοση του καταλύτη. Άρα πρέπει να βρεθεί µια βέλτιστη συγκέντρωση που θα προσφέρει καλή ικανότητα προσρόφησης, µε χαµηλό κόστος και µικρή επίδραση στην καταλυτική απόδοση. Το γράφηµα (β) απλά επιβεβαιώνει την ανωτερότητα του ζεολίθου στην προσροφητική ικανότητα σε σχέση µε τις επιστρώσεις από αλουµίνα και δηµητρίου-ζιρκονίου. Από την άλλη βέβαια, αυτό είναι µια ένδειξη ότι οι άλλες δύο επιστρώσεις θα έχουν και µικρότερη παρεµπόδιση στην ικανότητα οξείδωσης των αερίων ρύπων. Η επίδραση της θερµοκρασίας παρουσιάζεται στα διαγράµµατα (γ) και (δ) για τους 9 και τους 12 C. Στην πρώτη περίπτωση πρόκειται για αφρό µε ζεόλιθο 1 g/l και συγκέντρωση υδρογονανθράκων στην είσοδο 1 ppm, ενώ στη δεύτερη ο ζεόλιθος έχει συγκέντρωση 15 g/l και η είσοδος 2ppm HC. Όσον αφορά την επίδραση της συγκέντρωσης των υδρογονανθράκων στην είσοδο, παρατηρείται στα διαγράµµατα (ε) και (ζ) τη διαφορά µεταξύ των 1 και 2 ppm. Φυσικά, η επίδραση είναι µεγαλύτερη στον αφρό µε τη µικρότερη αποθήκη των 1 g/l του οποίου η απόδοση πέφτει κάτω από το 2% περίπου 2 sec νωρίτερα στην υψηλή συγκέντρωση.

62 46 Βαθµός απόδοσης προσρόφησης % g/l 15 g/l Ζεόλιθος,25g/l,1ppm,12 C Ζεόλιθος,1g/l,1ppm,12 C Ζεόλιθος,15g/l,1ppm,12 C 1 g/l Χρόνος [s] (α) Βαθµός απόδοσης προσρόφησης % Ce-Zr Al2O3 Ζεόλιθος Ζεόλιθος,1g/l,1ppm,12 C Al2O3,1g/l,1ppm,12 C Ce-Zr,1g/l,1ppm,12 C Χρόνος [s] (β) Βαθµός απόδοσης προσρόφησης % Ζεόλιθος,1g/l,1ppm,9 C Ζεόλιθος,1g/l,1ppm,12 C 9 C 12 C Βαθµός απόδοσης προσρόφησης % C 12 C Ζεόλιθος,15g/l,2ppm,9 C Ζεόλιθος,15g/l,2ppm,12 C Χρόνος [s] (γ) Χρόνος [s] (δ) Βαθµός απόδοσης προσρόφησης % ppm Ζεόλιθος,1g/l,1ppm,9 C Ζεόλιθος,1g/l,2ppm,9 C 1 ppm Βαθµός απόδοσης προσρόφησης % ppm Ζεόλιθος,15g/l,1ppm,12 C Ζεόλιθος,15g/l,2ppm,12 C 1 ppm Χρόνος [s] (ε) Χρόνος [s] (ζ) Εικόνα 3-12 Βαθµός απόδοσης προσρόφησης, επίδραση συγκέντρωσης ζεολίθου (α), επίδραση τύπου επίστρωσης (β), επίδραση θερµοκρασίας 1ppm (γ), επίδραση θερµοκρασίας 2ppm (δ), επίδραση συγκέντρωσης 1g/l (ε), επίδραση συγκέντρωσης 15g/l (ζ) 3.2 Πρωτότυποι οξειδωτικοί καταλύτες Στα πλαίσια της εργασίας αξιολογήθηκαν αρκετοί διαφορετικοί πρωτότυποι καταλύτες από µεταλλικό αφρό. Οι καταλύτες 2, 4, 5, 6, 7 και 8 είναι ουσιαστικά το φίλτρο αξονικής ροής που µπορεί να δεχθεί διαφορετικούς δίσκους αφρού. Οι καταλύτες 1 και 3 χρησιµοποιούν

63 47 τη διαµόρφωση σταυρωτής ροής η οποία κατασκευάζεται µε τύλιγµα φύλλων αφρού γύρω από έναν διάτρητο µεταλλικό σωλήνα, του οποίου το ποσοστό της ανοιχτής επιφάνειας είναι πάνω από 6%. Έτσι, δηµιουργείται ένας κυλινδρικός καταλύτης. Στη συνέχεια, τοποθετείται ένα µεταλλικό διάφραγµα στο 1/2 του µήκους του σωλήνα και έτσι το καυσαέριο εισέρχεται εσωτερικά και εξαναγκάζεται από το διάφραγµα να περάσει διαµέσου του µπροστινού τµήµατος του αφρού. Στη συνέχεια, περνάει µέσα από το πίσω τµήµα αφρού και εξέρχεται µέσω του διάτρητου σωλήνα, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3-13 και στην Εικόνα Στις δύο άκρες του φίλτρου τοποθετείται µονωτικό υλικό µε την ονοµασία Fiber mat το οποίο έχει διπλή χρησιµότητα. Πρώτον, στεγανοποιεί την επιφάνεια µεταξύ των τυλιγµένων φύλλων και της µεταλλικής πλάκας και δεύτερον επιδεικνύει ελαστικότητα και µπορεί να ακολουθεί το µήκος του αφρού ο οποίος συστέλλεται και διαστέλλεται µε τις µεταβολές της θερµοκρασίας. Αυτή η διαµόρφωση έχει πολύ µεγαλύτερη επιφάνεια εισόδου σε σχέση µε την αξονική ροή. Πιο συγκεκριµένα, ο καταλύτης 1 έχει 2.5 φορές µεγαλύτερη επιφάνεια εισόδου και ο καταλύτης 3 έχει τριπλάσια επιφάνεια. Αυτό µπορεί να µειώσει την πτώση πίεσης και τις ταχύτητες του καυσαερίου µέσα στον αφρό και εποµένως να αυξήσει το χρόνο παραµονής ευνοώντας την καταλυτική απόδοση. Επίσης, αυτό το σχέδιο δίνει τη δυνατότητα σηµαντικής µείωσης της διαµέτρου του καταλύτη, κάτι που µπορεί να είναι σηµαντικό σε εφαρµογές µε περιορισµούς χώρου. Ένα κατασκευαστικό πλεονέκτηµα αυτής της διαµόρφωσης είναι ότι δεν είναι απαραίτητοι διαχύτες στην είσοδο και στην έξοδο του φίλτρου. Τα χαρακτηριστικά όλων των καταλυτών παρατίθενται παρακάτω (Πίνακας 5) και περισσότερες λεπτοµέρειες για την κατασκευή τους υπάρχουν στην Εικόνα 3-13, στην Εικόνα 3-14 (ενδεικτικά ο καταλύτης 2, αλλά ισχύει για όλους τους καταλύτες αξονικής ροής) και στην Εικόνα Σηµειώνεται ότι για λόγους σύγκρισης αξιολογήθηκε και ένας κεραµικός καταλύτης διαµπερούς ροής ο οποίος είχε πανοµοιότυπη επίστρωση µε τους πρωτότυπους καταλύτες 2 και 3.

64

65 49 Πίνακας 5 Χαρακτηριστικά καταλυτών Ονοµασία Πρωτότυπος Πρωτότυπος Πρωτότυπος Πρωτότυπος Πρωτότυπος Πρωτότυπος Πρωτότυπος Πρωτότυπος Κεραµικός καταλύτης 1 καταλύτης 2 καταλύτης 3 καταλύτης 4 καταλύτης 5 καταλύτης 6 καταλύτης 7 καταλύτης 8 καταλύτης Υπόστρωµα Τύπος ροής ιάµετρος [mm] Μήκος [mm] Επιφάνεια εισόδου [mm 2 ] Όγκος [l] Πυκνότητα κελιών [cpsi] Μέγεθος πόρων [µm] Τύπος επίστρωσης Μέθοδος επίστρωσης Συγκέντρωση επίστρωσης [g/l] Συγκέντρωση καταλύτη [g/l] Ποσότητα καταλύτη Pt [g] Θερµική επεξεργασία Αφρός Αφρός Αφρός Αφρός Αφρός Αφρός Αφρός Αφρός Κορδιερίτης Σταυρωτή Αξονική Σταυρωτή Αξονική Αξονική Αξονική Αξονική Αξονική Αξονική Ζεόλιθος Ζεόλιθος Ζεόλιθος Αλουµίνα Αλουµίνα Ζεόλιθος Αλουµίνα/Ζεόλιθος Ζεόλιθος/Αλουµίνα Ζεόλιθος Σε 1 βήµα Σε 1 βήµα Σε 1 βήµα Σε 2 βήµατα Σε 1 βήµα Σε 1 βήµα Σε 1 βήµα Σε 1 βήµα Σε 1 βήµα C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h) 65 C (1h)

66

67 51 12//P1.7/W25b/1s στρώσεις = 12mm 4 στρώσεις = 12mm στρώσεις = 12mm 4 στρώσεις = 12mm Μονωτικό Εικόνα 3-13 Πρωτότυπος καταλύτης 1 Εικόνα 3-14 Πρωτότυπος καταλύτης Εικόνα 3-15 Πρωτότυπος καταλύτης 3

68 Αξιολόγηση πρωτότυπων καταλυτών στον κινητήρα Η αξιολόγηση των πρωτότυπων καταλυτών στον κινητήρα είναι µια διαδικασία µε πρώτο στόχο τον πλήρη χαρακτηρισµό της καταλυτικής απόδοσης. Αυτό γίνεται σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας που είναι ευκολότερο να επιτευχθούν στον κινητήρα, ενώ µπορούν να γίνουν και µετρήσεις σε µεταβατικά πρωτόκολλα όσο βέβαια το επιτρέπει η υπάρχουσα διάταξη κινητήρα-πέδης. Η πλήρης µεταβατική λειτουργία η οποία είναι και πιο κοντά στις πραγµατικές συνθήκες χρήσης, προσοµοιώνεται καλύτερα σε κύκλους οδήγησης (παράγραφος 3.4). εύτερο στόχο αποτελεί η αξιοποίηση των αποτελεσµάτων για την επιλογή της κατάλληλης επίστρωσης για κάθε εφαρµογή. Τέλος, η αξιολόγηση των πρωτοτύπων στοχεύει στην παραγωγή αξιόπιστων δεδοµένων για περαιτέρω υπολογιστική διερεύνηση Χαρακτηρισµός καταλυτικής απόδοσης Οι µετρήσεις για το χαρακτηρισµό της καταλυτικής απόδοσης έγιναν µε τοποθέτηση του πρωτότυπου καταλύτη στον κινητήρα VW 1.9TDi κατάντη ενός µη καταλυτικού φίλτρου ροής τοιχώµατος. Έτσι, εξασφαλίζεται ότι ο καταλύτης δεν θα συλλέγει αιθάλη κατά τη διάρκεια της δοκιµής για να αποφευχθεί η παθητική αναγέννηση που µπορεί να επηρεάσει τις συγκεντρώσεις των αερίων στην έξοδο του φίλτρου. Αυτό αφορά µόνο τους καταλύτες από µεταλλικό αφρό, οι οποίοι παρά το µεγάλο µέγεθος πόρων έχουν κάποια ικανότητα κατακράτησης αιθάλης. Επειδή δεν ήταν δυνατό να γίνεται ανάλυση καυσαερίου ταυτόχρονα σε δύο σηµεία, η δειγµατοληψία για κάθε σηµείο λειτουργίας γινόταν αρχικά στην έξοδο και στη συνέχεια στην είσοδο του φίλτρου όπως σηµειώνεται µε τα βέλη στην Εικόνα 3-16 (α) ενδεικτικά για τη µέτρηση µε τον κεραµικό καταλύτη. Αρχικά γίνεται θέρµανση του καταλύτη σε σταθερές στροφές περιστροφής του κινητήρα (1 RPM) µε βηµατική αύξηση του φορτίου. Το κάθε σηµείο λειτουργίας έχει διάρκεια 1 min έτσι ώστε να σταθεροποιηθεί η θερµοκρασία καυσαερίου. Αυτό συνεχίζεται µέχρι τους 35 C και τότε διατηρώντας σταθερή την ταχύτητα περιστροφής, µειώνεται απότοµα το φορτίο του κινητήρα και ξεκινά η µείωση της θερµοκρασίας και η ψύξη του καταλύτη έως τους 12 C. Έτσι, προκύπτουν οι καµπύλες µετατροπής του CO και των υδρογονανθράκων σε σχέση µε τη θερµοκρασία εισόδου και προσδιορίζεται η θερµοκρασία ενεργοποίησης (light off temperature). Η Εικόνα 3-16 (β) παραθέτει ενδεικτικά τις καµπύλες που προέκυψαν από τη µέτρηση µε τον Καταλύτη 2. Παρατηρείται ότι ο βαθµός οξείδωσης του CO και των υδρογονανθράκων αυξάνεται µε τη θερµοκρασία και προσεγγίζει µια υψηλή σταθερή τιµή. Παρατηρείται όµως ότι σε αντίθεση µε το CO, η οξείδωση των υδρογονανθράκων δεν είναι πλήρης ακόµα και σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες. Η εξήγηση είναι ότι η παρουσία του ζεολίθου ο οποίος έχει πόρους εξαιρετικά µικρής διαµέτρου, δυσχεραίνει τη διάχυση των µορίων των υδρογονανθράκων µέσα στην επίστρωση. Ιδιαίτερα για κάποια συγκεκριµένα είδη υδρογονανθράκων αυτό το φαινόµενο είναι τόσο σηµαντικό που ο βαθµός µετατροπής δεν µπορεί να φτάσει το 1% ακόµα σε θερµοκρασίες πολύ υψηλότερες από τη θερµοκρασία ενεργοποίησης [2, 56]. Αν οριστεί ως θερµοκρασία ενεργοποίησης το σηµείο στο οποίο η µετατροπή του CO ξεπερνά το 5% τότε από την

69 53 καµπύλη που αφορά την ψύξη, προκύπτει ότι ήδη από τους 16 C ο καταλύτης έχει ενεργοποιηθεί για το CO και στους 12 C για τους υδρογονάνθρακες. Εντυπωσιακό µάλιστα είναι ότι από πολύ χαµηλές θερµοκρασίες, ο συγκεκριµένος καταλύτης επιδεικνύει σηµαντική ικανότητα στη µείωση της συγκέντρωσης των υδρογονανθράκων στην έξοδο. Βέβαια αυτό είναι ένα συνδυασµένο φαινόµενο προσρόφησης και οξείδωσης. Στις χαµηλές θερµοκρασίες (έως 15 ) είναι δυνατή η προσρόφηση υδρογονανθράκων και στη συνέχεια µε τη θέρµανση του καταλύτη ξεκινά εκρόφηση και η οξείδωση τους όταν ενεργοποιηθεί ο καταλύτης. Σε αυτό σηµείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι η οξείδωση των προσροφηµένων υδρογονανθράκων µπορεί είναι πιο γρήγορη από τους υδρογονάνθρακες στο καυσαέριο, λόγω της καλύτερης επαφής τους µε τα πολύτιµα µέταλλα [61, 62]. Υπάρχει βέβαια η περίπτωση να εκροφώνται υδρογονάνθρακες πριν ενεργοποιηθεί ο καταλύτης και αυτό είναι µια πιθανή εξήγηση για τη µεγάλη µείωση της απόδοσης κατά τη θέρµανση, όταν η θερµοκρασία βρίσκεται στην περιοχή C. Όσο πιο µικρό είναι αυτό το παράθυρο, δηλαδή όσο πιο κοντά είναι η θερµοκρασία ενεργοποίησης στη θερµοκρασία εκρόφησης, τόσο µεγαλύτερος είναι ο περιορισµός των εκποµπών υδρογονανθράκων, ιδιαίτερα κατά την ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα. Θα πρέπει να υπογραµµιστεί ότι η οξείδωση των αέριων ρύπων και κυρίως του CO επηρεάζεται από τη λεγόµενη παρεµπόδιση λόγω των προσροφηµένων υδρογονανθράκων. Στις περιοχές της επίστρωσης στις οποίες συµβαίνει η προσρόφηση, δυσχεραίνεται η επαφή των πολύτιµων µετάλλων µε τους αέριους ρύπους στο καυσαέριο. Αυτό σε συνδυασµό µε το διαφορετικό ρυθµό µεταβολής της θερµοκρασίας και εποµένως τις διαφορετικές θερµοκρασίες µέσα στο φίλτρο (κατά την ψύξη το υπόστρωµα του φίλτρου είναι πιο θερµό από το καυσαέριο, ενώ στη θέρµανση ισχύει το αντίστροφο), είναι οι κύριες αιτίες που οι καµπύλες µετατροπής είναι διαφορετικές κατά τη θέρµανση και την ψύξη. Η παρεµπόδιση είναι και ο λόγος για τον οποίο θα µπορούσε να θεωρήσει κάποιος πιο αξιόπιστη την καµπύλη που προκύπτει από την ψύξη, λόγω του ότι ο καταλύτης βρισκόταν σε υψηλή θερµοκρασία για αρκετό χρονικό διάστηµα και εποµένως η µέτρηση ξεκινά από καθαρή κατάσταση όσον αφορά τους προσροφηµένους υδρογονανθράκες. Οι µετρηµένες θερµοκρασίες ενεργοποίησης τόσο κατά τη θέρµανση όσο και την ψύξη συγκεντρώνονται στην Εικόνα 3-16 (γ). Στις συγκεκριµένες συνθήκες του πειράµατος, ο κεραµικός καταλύτης υπερτερεί συνολικά έναντι των πρωτοτύπων από αφρό σε όλες τις περιπτώσεις κάτι που δικαιολογείται και από τη µεγάλη ποσότητα πολύτιµων µετάλλων. Παρόλαυτα, η απόδοση του πρωτοτύπου 2 η οποία δεν έχει πολύ µεγάλη διαφορά από τον κεραµικό καταλύτη, είναι πολλά υποσχόµενη για την αξιοποίηση της καλύτερης ανάµιξης και της υψηλότερης ειδικής επιφάνειας του αφρού. Είναι επίσης φανερό ότι είναι απαραίτητη η περαιτέρω βελτίωση των πρωτοτύπων καθώς και η δοκιµή ενός καταλύτη από αφρό µε µεγαλύτερη ποσότητα πολύτιµων µετάλλων. Σε αυτό το σηµείο, αποµένει η αξιολόγηση των πρωτοτύπων σε ένα περισσότερο µεταβατικό πρωτόκολλο µέτρησης, όπως είναι ένας κύκλος οδήγησης για να εξαχθούν πιο αξιόπιστα συµπεράσµατα.

70 54 mbar, C, kg/h, CO, HC [ppm] Τεισ. Τεξ. Παροχή CO HC NO NOx Είσοδος Έξοδος Θέρµανση Ψύξη NO, NOx [ppm] Χρόνος [s] (α) Βαθµός µετατροπής % CO (Θέρµανση) 2 CO (Ψύξη) 1 HC (Θέρµανση) HC (Ψύξη) Θερµοκρασία [ C] (β) Θερµοκρασία [ C] Κεραµικός καταλύτης (6.25g) Καταλύτης 1 (.85g) Καταλύτης 2 (1.5g) Καταλύτης 3 (1.8g) T5% CO (Ψύξη) T5% HC (Ψύξη) T5% CO (Θέρµανση) T5% HC (Θέρµανση) (γ) Εικόνα 3-16 Πειραµατικό πρωτόκολλο της µέτρησης (α), καµπύλες µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία (β), θερµοκρασίες ενεργοποίησης (γ)

71 55 Συνεχίζοντας τη µελέτη της καταλυτικής απόδοσης, έγιναν πειραµατικές µετρήσεις σε ένα περισσότερο µεταβατικό πρωτόκολλο. Αυτού του είδους οι δοκιµές συµπεριλαµβάνουν µερικές νέες παραµέτρους. Αφενός είναι µετρήσεις στις οποίες αναµένεται σηµαντική θερµοκρασιακή ανοµοιοµορφία µέσα στον αφρό και αφετέρου προσπαθούν να προσοµοιώσουν τη συµπεριφορά του καταλύτη κατά την ψυχρή εκκίνηση του οχήµατος η οποία, όπως είναι γνωστό, συνεισφέρει πάρα πολύ στις συνολικές εκποµπές του οχήµατος σε έναν κύκλο οδήγησης αλλά και γενικότερα κατά τη χρήση σε πραγµατικές συνθήκες [63]. Η διαδικασία της µέτρησης γίνεται µε τον ακόλουθο τρόπο. Μπορεί να ακούγεται παράδοξο, αλλά αρχικά γίνεται προθέρµανση του κινητήρα χωρίς να υπάρχει καταλύτης τοποθετηµένος στην εξάτµιση. Αυτό γίνεται για να είναι όσο το δυνατό πιο επαναλήψιµες οι εκποµπές στην είσοδο του καταλύτη, επειδή κατά την ψυχρή εκκίνηση ο κινητήρας δεν έχει οµαλή λειτουργία και οι εκποµπές του µπορεί να µην είναι πάντα σταθερές. Για λόγους αναφοράς, όλοι οι καταλύτες πριν την µέτρηση τοποθετούνται στο φούρνο στους 65 C για 1h έτσι ώστε να είναι καθαροί τόσο από αιθάλη όσο και από προσροφηµένους υδρογονάνθρακες και υγρασία. Φυσικά, πριν αρχίσει η µέτρηση ο καταλύτης βρίσκεται σε θερµοκρασία περιβάλλοντος όπως και κατά την ψυχρή εκκίνηση σε κύκλο οδήγησης ή στην πραγµατική χρήση. Η µέτρηση ξεκινά απευθείας µετά την εκκίνηση του κινητήρα µε µετάβαση στο σηµείο λειτουργίας 15 RPM/15Nm, έτσι ώστε να µην επηρεαστεί η συµπεριφορά του από πιθανές προσροφήσεις. Ο καταλύτης θερµαίνεται αρκετά γρήγορα και η θερµοκρασία στην είσοδο προσεγγίζει τους 34 C µετά από 7 sec. Σε αυτό το σηµείο το φορτίο µειώνεται απότοµα στα 5Nm, έτσι ώστε να ξεκινήσει η ψύξη του καταλύτη έως τους 12 C, όπως φαίνεται και από την Εικόνα 3-17 (α) για τη µέτρηση µε τον Καταλύτη 2. Σε όλη τη διάρκεια της µέτρησης γίνεται µέτρηση των συγκεντρώσεων CO, NO και HC στην είσοδο και στην έξοδο του πρωτοτύπου. Με αυτό τον τρόπο προκύπτουν οι καµπύλες µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία εισόδου που παρουσιάζονται για τη συγκεκριµένη µέτρηση στην Εικόνα 3-17 (β) ώστε να προσδιοριστεί η θερµοκρασία ενεργοποίησης. Παρατηρείται και εδώ, το φαινόµενο της υστέρησης κατά τη θέρµανση από την παρεµπόδιση και τον ανταγωνισµό των µορίων του CO και των υδρογονανθράκων να έρθουν σε επαφή µε τις περιοχές της επίστρωσης που υπάρχει πλατίνα. Αυτό σε συνδυασµό µε το διαφορετικό ρυθµό µεταβολής της θερµοκρασίας έχει ως αποτέλεσµα τη διαφορά στις καµπύλες µετατροπής µεταξύ θέρµανσης και ψύξης. Και εδώ θα µπορούσε κάποιος να θεωρήσει πιο αντιπροσωπευτική τη θερµοκρασία ενεργοποίησης που προσδιορίζεται από την καµπύλη ψύξης, επειδή η επίδραση της παρεµπόδισης είναι µικρότερη, λόγω της λειτουργίας του καταλύτη, σε υψηλή θερµοκρασία για αρκετό χρονικό διάστηµα πριν αρχίσει η ψύξη και λόγω της µικρότερης ανοµοιοµορφίας στη θερµοκρασία. Επίσης, παρατηρείται ότι η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ κέντρου και περιφέρειας κατά τη θέρµανση είναι πολύ σηµαντική και κυµαίνεται περίπου στους 5-6 C. Η αντίστοιχη ακτινική διαφορά θερµοκρασίας για τον κεραµικό καταλύτη είναι µικρότερη από 4 C.

72 56 mbar, C, kg/h Θέρµανση Ψύξη Τεισ. Tεξ. κέντρο Tεξ. περιφέρεια Παροχή CO εισ. CO εξ. NO εισ. NO εξ. HC εξ CO, NO, HC [ppm] Χρόνος [s] 2 25 (α) Βαθµός µετατροπής % CO (θέρµανση) HC (θέρµανση) CO (ψύξη) HC (ψύξη) Θερµοκρασία [ C] (β) Εικόνα 3-17 Πρωτόκολλο µέτρησης (α), καµπύλες µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία (β) Θεωρώντας ως θερµοκρασία ενεργοποίησης, τη θερµοκρασία για την οποία ο βαθµός µετατροπής έχει φτάσει το 5% (θα αναφέρεται ως Τ5), µπορεί να γίνει µία σύγκριση για όλους τους καταλύτες. Η Εικόνα 3-18 ταξινοµεί τα αποτελέσµατα για το CO και τους υδρογονάνθρακες, σύµφωνα µε το Τ5 κατά την ψύξη. Είναι φανερή η διαφορά µεταξύ ψύξης και θέρµανσης και για τους δύο ρύπους. Να σηµειωθεί σε αυτό το σηµείο ότι για την καλύτερη κατανόηση της παρούσας παραγράφου συνιστάται στον αναγνώστη να ανατρέξει στα χαρακτηριστικά των καταλυτών που παρουσιάζει ο Πίνακας 5. Λόγω του πλήθους των δεδοµένων και των διαφορετικών τάσεων που παρατηρούνται, θα πρέπει να επιλεχθεί ποιο µέγεθος θεωρείται ως αντιπροσωπευτικότερη ένδειξη της απόδοσης ενός

73 57 καταλύτη. Όπως αναφέρθηκε η καµπύλη του CO κατά τη θέρµανση δείχνει να επηρεάζεται αρκετά από την παρεµπόδιση και οι καµπύλες των υδρογονανθράκων είναι αποτέλεσµα συνδυασµού προσρόφησης, εκρόφησης και οξείδωσης. Έτσι, επιλέγοντας τη θερµοκρασία ενεργοποίησης του CO κατά την ψύξη, παρατηρείται ότι οι καταλύτες 7 και 8 βρίσκονται στις πρώτες θέσεις µαζί µε τον κεραµικό καταλύτη και µάλιστα µε περίπου τη µισή ποσότητα πολύτιµων µετάλλων (3 έναντι 6.25 g). Όπως αναµενόταν, οι καταλύτες 1, 2, 3 και 4 έχουν χειρότερη απόδοση λόγω µικρότερου όγκου (άρα και χρόνου παραµονής) και λόγω µικρότερης ποσότητας πλατίνας. Ο πρωτότυπος καταλύτης 1 µάλιστα έχει και πολύ µικρότερη ποσότητα επίστρωσης µόλις 25 g/l έναντι 1 g/l που έχουν οι υπόλοιποι, που σηµαίνει ότι ίσως δεν έχει αρκετά µεγάλη ειδική επιφάνεια. Η άµεση σύγκριση που µπορεί να γίνει µεταξύ καταλύτη 2 (ζεόλιθος) και 4 (αλουµίνα) δείχνει ελαφρώς καλύτερη απόδοση του τελευταίου ( C) στο CO, αλλά η συµπεριφορά είναι αντίστροφη στους υδρογονάνθρακες λόγω της ικανότητας του ζεολίθου να λειτουργεί ως παγίδα HC. Οι καταλύτες 5 και 6 έχουν ίδια επίστρωση µε τους 4 και 2 αντίστοιχα, αλλά διπλάσιο όγκο και ποσότητα πλατίνας. Όπως είναι λογικό, έχουν και καλύτερη απόδοση σε όλες τις περιπτώσεις. Η σύγκριση µεταξύ των πρωτότυπων 5 (αλουµίνα) και 6 (ζεόλιθος) µε όγκο.6 l και 3g Pt, δείχνει ένα µικρό πλεονέκτηµα στην επίστρωση από αλουµίνα, όπως είναι άλλωστε αναµενόµενο, αφού έχει µικρότερη δυνατότητα προσρόφησης σε σχέση µε το ζεόλιθο και άρα µικρότερη επίδραση στην οξείδωση του CO. Η αντίστοιχη σύγκριση για την απόδοση στους υδρογονάνθρακες δείχνει ξεκάθαρα το πλεονέκτηµα της προσρόφησης που έχει η επίστρωση από ζεόλιθο (Τ5 HC=125 C) σε σχέση µε την αλουµίνα (Τ5 HC=147 C). Όσον αφορά τη σύγκριση του καταλύτη 7 και 8 αυτή δείχνει τη σειρά µε την οποία θα πρέπει να τοποθετηθούν οι συγκεκριµένες επιστρώσεις σε ένα καταλύτη. Παρατηρείται ένα µικρό πλεονέκτηµα (T5 CO=138 C) της διαµόρφωσης µε την αλουµίνα µπροστά και το ζεόλιθο πίσω σε σχέση µε την αντίστροφη (T5 CO=142 C), το οποίο µπορεί να εξηγηθεί µε το παρακάτω σκεπτικό. Ο αφρός µε την αλουµίνα ο οποίος βλέπει πρώτος το καυσαέριο και θερµαίνεται γρηγορότερα, έχει µικρότερη επίδραση από την παρεµπόδιση των υδρογονανθράκων. Έτσι, επιτυγχάνεται αποδοτικότερη οξείδωση των αέριων ρύπων και επιπλέον, ένα µέρος από τους υδρογονάνθρακες που θα διαφύγουν, θα παγιδευτούν στο τµήµα από ζεόλιθο που ακολουθεί. Ο συνδυασµός αυτός λειτουργεί καλύτερα και στους υδρογονάνθρακες, όπου είναι φανερή η υπέρτερη συµπεριφορά του καταλύτη 7 (αλουµίνα /ζεόλιθος) µε Τ5 HC=117 C έναντι του καταλύτη 8 (ζεόλιθος/αλουµίνα) µε Τ5 HC=127 C.

74 58 Καταλύτης Καταλύτης Καταλύτης Καταλύτης Καταλύτης Τ5 (θέρµανση) Καταλύτης T5 (ψύξη) Καταλύτης Κεραµικός Καταλύτης Θερµοκρασία [ C] (α) Καταλύτης Καταλύτης Καταλύτης Καταλύτης 1 Καταλύτης Τ5 (θέρµανση) Τ5 (ψύξη) Κεραµικός Καταλύτης Καταλύτης Καταλύτης Θερµοκρασία [ C] (β) Εικόνα 3-18 Θερµοκρασίες ενεργοποίησης για το CO (α), για τους υδρογονάνθρακες (β) Επίδραση της παροχής καυσαερίου Σε αυτή την παράγραφο περιγράφεται η επίδραση της παροχής καυσαερίου, η οποία µελετήθηκε µε πειραµατικές µετρήσεις σε αρκετά υψηλή θερµοκρασία (4 C), έτσι ώστε ο ρυθµός των οξειδωτικών αντιδράσεων να ελέγχεται από τη µεταφορά µάζας. Κατά τη διάρκεια της µέτρησης, η παροχή καυσαερίου αυξάνεται σταδιακά και έτσι µειώνεται ο χρόνος παραµονής του καυσαερίου στον καταλύτη. Αυτό µπορεί να έχει ως αποτέλεσµα την πτώση του βαθµού οξείδωσης των αέριων ρύπων. Στην Εικόνα 3-19 (α) συγκρίνεται ο βαθµός οξείδωσης του CO σε σχέση µε την παροχή καυσαερίου. Η απόδοση των πρωτοτύπων 1 και 2 είναι πάντα ελαφρώς καλύτερη από τον κεραµικό καταλύτη, ενώ το τρίτο πρωτότυπο µειονεκτεί σε µεγάλες παροχές. Σύµφωνα µε την Εικόνα 3-19 (β), η απόδοση στην περίπτωση των υδρογονανθράκων επηρεάζεται σαφώς περισσότερο από την αύξηση της παροχής. Συµπερασµατικά, οι διαφορές στην απόδοση είναι σχετικά

75 59 µικρές και τα πρωτότυπα από αφρό είναι ανταγωνιστικά σε σχέση µε τον εµπορικό κεραµικό καταλύτη, παρότι έχουν πολύ µικρότερη ποσότητα πολύτιµων µετάλλων Βαθµός µετατροπής CO % Κεραµικός καταλύτης #1 (6.25g) Καταλύτης 1 (.85g) Καταλύτης 2 (1.5g) Καταλύτης 3 (1.8g) Παροχή καυσαερίου [m3/h] (α) 95 9 Βαθµός µετατροπής CO % Κεραµικός καταλύτης #1 (6.25g) Καταλύτης 1 (.85g) Καταλύτης 2 (1.5g) Καταλύτης 3 (1.8g) Παροχή καυσαερίου [m3/h] (β) Εικόνα 3-19 Βαθµός µετατροπής στους 4 C σε σχέση µε την παροχή καυσαερίου (α) CO, (β) υδρογονάνθρακες 3.4 Αξιολόγηση πρωτότυπων καταλυτών σε όχηµα Η αξιολόγηση έγινε στο όχηµα VW Golf προδιαγραφών ρύπων Euro 2 που περιγράφεται και στην παράγραφο Το συγκεκριµένο αυτοκίνητο επιλέχθηκε επειδή δεν διαθέτει προκαταλύτη κοντά στην εξαγωγή του κινητήρα παρά µόνο έναν κύριο καταλύτη κάτω από το πάτωµα ο οποίος µπορεί να αντικατασταθεί. Έτσι ήταν εύκολη η τοποθέτηση διαφόρων συσκευών αντιρρύπανσης και η µελέτη της επίδρασης που έχουν στις εκποµπές του οχήµατος. Όλες οι µετρήσεις εκποµπών ρύπων έγιναν σύµφωνα µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο δηλαδή µε ανάλυση δείγµατος αραιωµένου καυσαερίου για αέριους ρύπους και σωµατίδια, για τον ευρωπαικό κύκλο οδήγησης NEDC [64]. Για λόγους αναφοράς, οι

76 6 εκποµπές µετρήθηκαν και χωρίς συσκευή αντιρρύπανσης, µετά την αντικατάσταση του καταλύτη από σωλήνα και έτσι είναι γνωστές οι εκποµπές του κινητήρα. Πριν το σχολιασµό των µετρήσεων, είναι χρήσιµη µια σύγκριση της θερµικής απόκρισης του αφρού σε σχέση µε τον κορδιερίτη. Στην Εικόνα 3-2 συγκρίνονται οι θερµοκρασίες εισόδου και εξόδου στον καταλύτη 3 σε σχέση µε τον κεραµικό καταλύτη κατά το πρώτο κοµµάτι του αστικού κύκλου οδήγησης. Ο καταλύτης 3 λόγω της µικρότερη θερµοχωρητικότητας του µεταλλικού αφρού, θερµαίνεται γρηγορότερα από ότι ο κορδιερίτης. Αυτό ίσως µπορεί να αποτελέσει πλεονέκτηµα για συντοµότερη ενεργοποίηση του καταλύτη (light off) και εποµένως τον αποτελεσµατικότερο περιορισµό των ρύπων στον αστικό κύκλο που περιλαµβάνει την κρύα εκκίνηση και ένα µεγάλο µέρος των συνολικών εκποµπών του κύκλου NEDC. Βέβαια θα πρέπει να πούµε ότι για τον ίδιο λόγο ο αφρός ψύχεται γρηγορότερα από τον κορδιερίτη. Αυτό ίσως αρχικά να φαίνεται ως µειονέκτηµα αλλά οι ψύξεις του καταλύτη γίνονται κυρίως κατά τις επιβραδύνσεις στις οποίες η τροφοδοσία καυσίµου είτε διακόπτεται είτε είναι πολύ µικρή συνεισφέροντας πολύ λίγο στις συνολικές εκποµπές. Θερµοκρασία [ C], Ταχύτητα οχήµατος [km/h] Ταχύτητα Tεξ. καταλύτης 3 Τεισ. Tεξ. κεραµικός καταλύτης Χρόνος [s] Εικόνα 3-2 Σύγκριση θερµικής απόκρισης καταλυτών Τα συγκριτικά αποτελέσµατα των µετρήσεων στους κύκλους UDC (Urban Driving Cycle) και NEDC παρουσιάζονται στην Εικόνα 3-21 για το CO, τους υδρογονάνθρακες και τα σωµατίδια αιθάλης. Ένα αρχικό συµπέρασµα είναι ότι ίσως η ποσότητα πολύτιµων µετάλλων του καταλύτη 1 (.85g) δεν είναι αρκετή, αφού η απόδοση του είναι πολύ χαµηλή στους αέριους ρύπους. Από την άλλη µεριά, η συµπεριφορά του καταλύτη 2 που περιέχει µεγαλύτερη ποσότητα Pt (1.5g), είναι πολύ καλύτερη. Ακολουθεί σε απόδοση ο καταλύτης 3 (ποσότητα Pt 1.8g) σε µικρή απόσταση από τον κεραµικό καταλύτη (Pt 6.25g) ο οποίος επιδεικνύει τις χαµηλότερες εκποµπές για όλους τους αέριους ρύπους. Μάλιστα, και οι δύο επιτυγχάνουν εύκολα εκποµπές κάτω από τα όρια Euro 4 και 5 για το CO και πλησιάζουν το αντίστοιχο όριο για τους υδρογονάνθρακες. Επιπρόσθετα, διακρίνεται η επίδραση που έχουν οι καταλύτες στις εκποµπές σωµατιδίων αιθάλης. Η

77 61 µείωση της µάζας των σωµατιδίων από τον κεραµικό καταλύτη οφείλεται µόνο στην οξείδωση του πτητικού µέρους της αιθάλης (SOF) το οποίο για το συγκεκριµένο κινητήρα φαίνεται να είναι αρκετά µεγάλο. Αντίθετα, η µείωση στους καταλύτες από αφρό οφείλεται και στην ικανότητα τους να κατακρατούν ένα µέρος των στερεών σωµατιδίων. Το γενικότερο συµπέρασµα από τις συγκεκριµένες µετρήσεις είναι ότι ο καταλύτης 3 µπορεί να επιτύχει συγκρίσιµες εκποµπές µε τον κεραµικό καταλύτη, χρησιµοποιώντας πολύ µικρότερο όγκο ( l) και ποσότητα πολύτιµων µετάλλων ( g). Όλα αυτά κάνουν τον αφρό ένα πολλά υποσχόµενο υλικό για τη µείωση του όγκου του οξειδωτικού καταλύτη, ένα χαρακτηριστικό που µπορεί να είναι πολύ χρήσιµο σε εφαρµογές µε περιορισµούς χώρου. Ακόµα, η δυνατότητα χρήσης µικρότερης ποσότητας πολύτιµων µετάλλων µπορεί να µειώσει σηµαντικά το κόστος κατασκευής του. Η σηµασία αυτής της δυνατότητας τονίζεται περισσότερο αν ληφθή υπ όψη ότι η πλατίνα κοστίζει περίπου ευρώ/g, άρα µπορούν να εξοικονοµηθούν 4-5 g σε κάθε καταλύτη, αυτό σηµαίνει ότι το κόστος του µπορεί να µειωθεί έως και 1-15 ευρώ, ποσό εξαιρετικά σηµαντικό σε συνολικούς αριθµούς παραγωγής.

78 Εκποµπές κινητήρα Πρωτότυπος καταλύτης 1 Πρωτότυπος καταλύτης 2 Πρωτότυπος καταλύτης 3 Κεραµικός καταλύτης CO [g/km] Όριο Euro 4/ UDC NEDC (α) Εκποµπές κινητήρα Πρωτότυπος καταλύτης 1 Πρωτότυπος καταλύτης 2 Πρωτότυπος καταλύτης 3 Κεραµικός καταλύτης HC [g/km] Όριο Euro 4/ UDC NEDC (β) PM [mg/km] Όριο Euro 4 Εκποµπές κινητήρα Πρωτότυπος καταλύτης 1 Πρωτότυπος καταλύτης 2 Πρωτότυπος καταλύτης 3 Κεραµικός καταλύτης Όριο Euro 5 UDC NEDC (γ) Εικόνα 3-21 Μετρήσεις εκποµπών σε κύκλους οδήγησης CO (α), HC (β), PM (γ)

79 Συµπεράσµατα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκε η διερεύνηση της εφαρµογής του µεταλλικού αφρού ως υποστρώµατος οξειδωτικού καταλύτη και εδώ συνοψίζονται τα κυριότερα συµπεράσµατα. Όπως παρατηρήθηκε, η αύξηση της χωρικής ταχύτητας µειώνει το βαθµό µετατροπής των αέριων ρύπων ιδιαίτερα στους αφρούς µε µεγαλύτερο µέγεθος πόρων που επηρεάζονται περισσότερο. Η άµεση σύγκριση του βαθµού µετατροπής ενός αφρού και ενός κεραµικού οξειδωτικού καταλύτη µε πανοµοιότυπη επίστρωση έδειξε ότι η απόδοση του αφρού επηρεάζεται σαφώς λιγότερο από την αύξηση της ταχύτητας. Αυτό είναι κάτι που µπορεί να αξιοποιηθεί για τη µείωση του µεγέθους και του κόστους του καταλύτη. Η µέθοδος αξιολόγησης καταλυτικών επιστρώσεων ακολουθήθηκε για τη µελέτη της επίδρασης των διαφόρων χαρακτηριστικών του καταλύτη στην καταλυτική απόδοση. Όπως αναµενόταν, η αύξηση της συγκέντρωσης των πολύτιµων µετάλλων µειώνει τη θερµοκρασία ενεργοποίησης. Αντίθετα, η µεγαλύτερη συγκέντρωση επίστρωσης δυσχεραίνει την καταλυτική απόδοση. Η επίδραση του τρόπου επίστρωσης του αφρού σε ένα ή δύο βήµατα δεν είναι σηµαντική και έτσι µπορεί να χρησιµοποιηθεί η πρώτη µέθοδος που έχει µικρότερο κόστος. Η µελέτη της επίδρασης του µεγέθους των πόρων είναι αρκετά πολύπλοκη και θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στα πλαίσια της εργασίας έγινε µόνο µια αρχική προσέγγιση του θέµατος. Όσο αυξάνεται το µέγεθος πόρων, µειώνεται η θερµοκρασία ενεργοποίησης όµως, κρίνεται απαραίτητο να γίνουν και συγκριτικές µετρήσεις µε αφρούς οι οποίοι θα έχουν το ίδιο πάχος επίστρωσης. Ο καλύτερος τύπος επίστρωσης αποδείχθηκε ότι είναι η αλουµίνα η οποία υπερτερεί έναντι του ζεολίθου και του δηµητρίου-ζιρκονίου. Επιπλέον, µελετήθηκε η επίδραση της γήρανσης στην καταλυτική απόδοση των αφρών και έγινε σύγκριση µε κεραµικό καταλύτη. Οι πειραµατικές µετρήσεις έδειξαν ότι το κράµα Inconel δεν έχει την κατάλληλη αντοχή στη γήρανση αλλά ο αφρός FeNiAlCr επιδεικνύει συγκρίσιµη αντοχή µε τον κορδιερίτη. Συγκριτικές µετρήσεις προσδιορισµού της θερµοκρασίας ενεργοποίησης µε συνθετικό αέριο και καυσαέριο έδειξαν την επίδραση της παρεµπόδισης από τις προσροφήσεις και τον ανταγωνισµό µεταξύ των αερίων ρύπων. ιαπιστώθηκε ότι η ενεργοποίηση του καταλύτη απουσία υδρογονανθράκων γίνεται σε πολύ χαµηλότερη θερµοκρασία. Στο ίδιο συµπέρασµα οδηγούν και οι µετρήσεις µε διαφορετικές συγκεντρώσεις εισόδου CO και NO. Όσο µικρότερη η συγκέντρωση εισόδου των αέριων ρύπων τόσο χαµηλότερη η θερµοκρασία ενεργοποίησης. Η διάταξη µικρής κλίµακας χρησιµοποιήθηκε ακόµα για τη διερεύνηση της προσρόφησης υδρογονανθράκων σε επιστρώσεις ζεολίθου. Όπως αναµενόταν, η µεγαλύτερη συγκέντρωση ζεολίθου αυξάνει την ικανότητα προσρόφησης. Επιπλέον, πειραµατικές δοκιµές προσρόφησης έδειξαν την µείωση του βαθµού απόδοσης προσρόφησης µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Αντίστοιχη µείωση παρατηρείται µε την αύξηση της συγκέντρωσης των υδρογονανθράκων. Τέλος, η σύγκριση του ζεολίθου µε επιστρώσεις

80 64 από αλουµίνα και δηµητρίου-ζιρκονίου επιβεβαίωσε την ανωτερότητα του στην ικανότητα προσρόφησης. Στη συνέχεια παρουσιάστηκε η πειραµατική αξιολόγηση στον κινητήρα των πρωτότυπων καταλυτών από µεταλλικό αφρό. Έγιναν δοκιµές µε διαφορετικές διαµορφώσεις ροής και τύπους επιστρώσεων και επιπλέον έγινε σύγκριση µε κεραµικό οξειδωτικό καταλύτη διαµπερούς ροής. Στόχος της αξιολόγησης ήταν ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας ενεργοποίησης για την οξείδωση των αέριων ρύπων και η µελέτη της επίδρασης του µεγέθους του καταλύτη και της ποσότητας πολύτιµων µετάλλων. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ένα µικρό πλεονέκτηµα της αλουµίνας έναντι του ζεολίθου που αποδίδεται στην µικρότερη παρεµπόδιση λόγω προσροφήσεων. Από τις συγκρίσεις συµπεραίνεται ότι είναι αποδοτικότερος ο συνδυασµός των επιστρώσεων µε την αλουµίνα στο εµπρόσθιο µέρος και το ζεόλιθο να ακολουθεί. Ακόµα, διαπιστώθηκε ότι οι πρωτότυποι καταλύτες από αφρό ακόµα και µε µικρή ποσότητα πολύτιµων µετάλλων µπορούν να διατηρούν την οξειδωτική τους ικανότητα σε µεγάλες παροχές ενώ η απόδοση τους ήταν συγκρίσιµη σε σχέση µε τον κεραµικό καταλύτη. Ακολούθησε η αξιολόγηση των πρωτότυπων καταλυτών αφρού σε όχηµα. Οι µετρήσεις έγιναν σε νοµοθετηµένους κύκλους οδήγησης και, όπως φάνηκε, οι θερµικές ιδιότητες του αφρού τον βοηθούν να θερµαίνεται γρηγορότερα από τον κεραµικό καταλύτη κατά την ψυχρή εκκίνηση. Συνολικά, τα πρωτότυπα από αφρό πέτυχαν συγκρίσιµες εκποµπές σε σχέση µε τον κορδιερίτη παρά το ότι είχαν σηµαντικά µικρότερο µέγεθος και ποσότητα πολύτιµων µετάλλων. Αυτό είναι µια ένδειξη ότι ο αφρός µπορεί να βοηθήσει στη µείωση του συνολικού κόστους κατασκευής ενός καταλύτη. Η διερεύνηση που επιχειρήθηκε σε αυτό το κεφάλαιο αποτελεί µια προκαταρκτική µελέτη που έδειξε ότι ο µεταλλικός αφρός είναι ένα πολλά υποσχόµενο υλικό για την εφαρµογή σε οξειδωτικούς καταλύτες. Για αυτό το λόγο, είναι υποχρέωση µιας τέτοιας διερεύνησης να προτείνει κατευθύνσεις για περαιτέρω έρευνα. Η µελέτη της επίδρασης του µεγέθους πόρων στην καταλυτική δράση θα πρέπει να συµπληρωθεί µε πειραµατικές µετρήσεις σε αφρούς µε ίδιο πάχος επίστρωσης. Μια πολύ σηµαντική αναβάθµιση της διάταξης θα ήταν ένας µίκτης αερίων µε αυτόµατο έλεγχο της παροχής και της σύστασης του συνθετικού αερίου. Αυτό θα έδινε πολύ περισσότερες δυνατότητες στη διάταξη. Επίσης θα ήταν χρήσιµο να µπορεί να γίνει προσθήκη υδρογονανθράκων στο αέριο για τη διεξαγωγή πειραµατικών µετρήσεων προσρόφησης µε δεκάνιο και τολουένιο που είναι και τα κυριότερα προσροφήσιµα είδη υδρογονανθράκων στο καυσαέριο diesel [2]. Ακόµα, θα µπορούσε να γίνει προσθήκη υγρασίας στο συνθετικό αέριο και να µελετηθεί η επίδραση της τόσο στην προσροφητική ικανότητα όσο και στην οξειδωτική δράση των καταλυτικών επικαλύψεων. Απαραίτητο συµπλήρωµα µιας τέτοιας διερεύνησης είναι οι δοκιµές προσρόφησης σε καταλύτες κανονικού µεγέθους στον κινητήρα µε ταυτόχρονη µέτρηση της συγκέντρωσης των υδρογονανθράκων στην είσοδο και στην έξοδο.

81 65 4 Ο µεταλλικός αφρός ως υπόστρωµα φίλτρου αιθάλης Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, το υλικό που µελετά η εργασία επιδεικνύει πάντα και µια ικανότητα κατακράτησης σωµατιδίων αιθάλης και για αυτό το λόγο κρίνεται χρήσιµο να υπενθυµιστεί ο προσδιορισµός των εννοιών του οξειδωτικού καταλύτη και του φίλτρου αιθάλης από αφρό στα πλαίσια της εργασίας. Έτσι, ως οξειδωτικό καταλύτη από αφρό ορίζεται η συσκευή αντιρρύπανσης από µεταλλικό αφρό που µπορεί να πετύχει βαθµό µετατροπής αέριων ρύπων µεγαλύτερο από 8% και βαθµό απόδοσης διήθησης σωµατιδίων έως 3%. Ως φίλτρο αιθάλης από αφρό ορίζεται η συσκευή αντιρρύπανσης από µεταλλικό αφρό που µπορεί να πετύχει βαθµό απόδοσης διήθησης σωµατιδίων µεγαλύτερο από 8%. 4.1 ιερεύνηση βασικών παραµέτρων λειτουργίας Βαθµός απόδοσης διήθησης Στα πλαίσια της εργασίας διερευνήθηκε η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων µελέτης στο βαθµό απόδοσης διήθησης Μέγεθος πόρων Βάθος διήθησης Ταχύτητα καυσαερίου ιάµετρος των σωµατιδίων Φόρτιση αιθάλης Σε αυτό το σηµείο θα αναφερθούν οι εξισώσεις που περιγράφουν τους µηχανισµούς διήθησης στον αφρό. Ο βαθµός απόδοσης διήθησης συσχετίζεται µε τη διάµετρο της ακµής των πόρων του αφρού και µε τη διάµετρο των σωµατιδίων [1, 7, 22]. Η κατανοµή της διαµέτρου των ακµών δίνεται από την κατασκευάστρια εταιρεία και αυτή των σωµατιδίων µπορεί να µετρηθεί µε το όργανο µέτρησης SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) που περιγράφεται στην παράγραφο Ο συνολικός βαθµός απόδοσης διήθησης µιας ακµής είναι το άθροισµα των βαθµών απόδοσης όλων των µηχανισµών κατακράτησης σωµατιδίων που περιγράφονται στην παράγραφο Από τη βιβλιογραφία και από υπολογιστικές µελέτες που έχουν γίνει στο εργαστήριο, είναι γνωστό ότι σε διαµέτρους σωµατιδίων µικρότερες από τα 2 nm όπως στην περίπτωση του καυσαερίου diesel και σε φίλτρα από αφρό η διήθηση λόγω αδράνειας έχει αµελητέα συνεισφορά εφόσον και ο αριθµός Stokes είναι συνήθως µικρότερος από.3. Έτσι, µπορεί να θεωρηθεί ότι οι κυρίαρχοι µηχανισµοί κατακράτησης είναι η διήθηση λόγω διάχυσης και λόγω αναχαίτισης [6, 29]. Ο συνολικός βαθµός απόδοσης n για τον καθαρό αφρό µπορεί να υπολογιστεί από

82 66 το άθροισµα του βαθµού απόδοσης της διήθησης λόγω διάχυσης n D και λόγω αναχαίτισης n R όπως φαίνεται στην Εξίσωση 4-1. η = η D + η R Εξίσωση Ο βαθµός απόδοσης διήθησης λόγω διάχυσης n D σχετίζεται µε τον αριθµό Peclet και δίνεται από την Εξίσωση 4-2 και ο βαθµός απόδοσης λόγω αναχαίτησης από την Εξίσωση 4-1. η D = a Pe 1/ Εξίσωση 4-2 Όπου α είναι σταθερά που βαθµονοµείται από πειραµατικές µετρήσεις. Ο αριθµός Peclet υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση. Pe u d D 1 S = Εξίσωση 4-3 Στην Εξίσωση 4-3 όπου d s είναι η διάµετρος της ακµής, u l είναι η ταχύτητα των σωµατιδίων ανηγµένη στο κλάσµα κενού του αφρού V f όπως φαίνεται στην Εξίσωση 4-4 και D είναι η διαχυτότητα των σωµατιδίων που δίνεται από την Εξίσωση 4-5. u face u1 = Εξίσωση Vf Στις παρακάτω εξισώσεις όπου C είναι ο παράγοντας Cunnihgam, K b είναι η σταθερά Boltzmann, d p η διάµετρος του σωµατιδίου, Kn ο αριθµός Knudsen, λ η µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων του αερίου, u η µέση ταχύτητα των µορίων του αερίου, T η θερµοκρασία του αερίου, µ το δυναµικό ιξώδες, ρ g η πυκνότητα του αερίου, R η παγκόσµια σταθερά των αερίων και M το µοριακό βάρος του αερίου. D Ck T b = Εξίσωση 4-5 3πµ d p 1,1 Kn C = 1 + Kn 1,257 +,4 e Εξίσωση 4-6 2λ Kn = Εξίσωση 4-7 d p µ λ =,499 ρ g u Εξίσωση 4-8 8RT u = Εξίσωση 4-9 πm Ο βαθµός απόδοσης διήθησης λόγω αναχαίτισης δίνεται από την παρακάτω εξίσωση. η = b R R.4.2 ( Re ) 1 p Εξίσωση 4-1

83 67 Όπου b είναι σταθερά που βαθµονοµείται από πειραµατικές µετρήσεις, R είναι η παράµετρος αναχαίτισης και Re p είναι ο αριθµός Reynolds βασισµένος στη διάµετρο του σωµατιδίου όπως φαίνεται στην Εξίσωση 4-11 και Εξίσωση d d p R= Εξίσωση 4-11 s u d p Re p = 2 Εξίσωση 4-12 ν Το v είναι το κινηµατικό ιξώδες του αερίου και u 2 η ταχύτητα του σωµατιδίου ανηγµένη στο κλάσµα επιφάνειας A f που σχετίζεται µε το κλάσµα όγκου του αφρού Vf σύµφωνα µε Εξίσωση 4-13 και Εξίσωση u u face = 1 Af 2 Εξίσωση 4-13 Af= 4 Vf π Εξίσωση 4-14 Σε συνθήκες φόρτισης, η διάµετρος των ακµών του αφρού αλλάζει συνεχώς λόγω της συλλογής αιθάλης πάνω στην επιφάνεια τους. Για δεδοµένη πυκνότητα αιθάλης η αλλαγή στη γεωµετρία των ακµών µπορεί να υπολογιστεί. Η πειραµατική εµπειρία έχει δείξει ότι η πυκνότητα της αιθάλης όµως δεν είναι σταθερή και εξαρτάται σηµαντικά από τις συνθήκες της ροής. Σύµφωνα µε την προσέγγιση που χρησιµοποιείται στο υπολογιστικό µοντέλο Axifoam του εργαστηρίου, υπάρχουν δύο περιοχές συλλογής αιθάλης που αντιστοιχούν σε δύο µηχανισµούς κατακράτησης. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-1 υπάρχει η περιφερειακή περιοχή η οποία αφορά το µηχανισµό της διήθησης και η εµπρόσθια περιοχή η οποία σχηµατίζεται από την αναχαίτιση [7]. Εικόνα 4-1 Περιοχές της ακµής που συλλέγεται η αιθάλη

84 68 Η µάζα αιθάλης m C που εναποτίθεται στην περιφερειακή περιοχή δίνεται από την Εξίσωση m =Mr m C D Εξίσωση 4-15 Η µάζα αιθάλης m S που εναποτίθεται στη εµπρόσθια περιοχή δίνεται από την Εξίσωση ( ) m = m + 1-Mr m S R D Εξίσωση 4-16 Όπου m D και m R είναι η κατακρατηµένη µάζα αιθάλης λόγω διάχυσης και λόγω αναχαίτισης αντίστοιχα και Mr το µέρος της αιθάλης που έχει συλλεχθεί λόγω διάχυσης στην περιφερειακή περιοχή. Το συνολικό κλάσµα όγκου βασισµένο στη συνολική µάζα που συλλέχθηκε είναι m T Vf T = Vf+ Εξίσωση 4-17 ρ T V Όπου ρ Τ είναι η συνολική πυκνότητα της αιθάλης και V είναι ο όγκος ελέγχου που αφορά τον υπολογισµό. Η υδραυλική διάµετρος της ακµής δίνεται από την παρακάτω σχέση d =d S,T S, Vf T Vf Εξίσωση 4-18 Το κλάσµα όγκου της περιφερειακής περιοχής είναι m C Vf C = Vf+ Εξίσωση 4-19 ρ C V Όπου ρ C είναι η πυκνότητα της αιθάλης στην περιφερειακή περιοχή. Η διάµετρος της ακµής στην περιφερειακή περιοχή είναι d =d S,C S, Vf C Vf Εξίσωση 4-2 Και το µήκος των ακµών το οποίο δεν µεταβάλλεται κατά τη φόρτιση, είναι L= 4 V Vf π d 2 S, Εξίσωση 4-21 Η εµπρόσθια περιοχή εναπόθεσης ανά µονάδα µήκους ακµής είναι m Εξίσωση 4-22 S AS= 2 ρ S L Όπου ρ S είναι η πυκνότητα της αιθάλης στη εµπρόσθια περιοχή. Το µήκος της εµπρόσθιας περιοχής εναπόθεσης είναι

85 69 2 AS L = d S S, Εξίσωση 4-23 Το Mr µπορεί να υπολογιστεί από τη γεωµετρία της ακµής..5 π d + d S S Mr= 4.5 d d ( LS + ds,) + ( π S+ S) Εξίσωση 4-24 Το κλάσµα επιφάνειας A f είναι διαφορετικό από ότι στην περίπτωση του καθαρού αφρού, όπως δόθηκε από την Εξίσωση 4-14 λόγω της εµπρόσθιας περιοχής εναπόθεσης. 4 Vf Af= π 2 L S+d ds, S,C Εξίσωση 4-25 Οι υπολογιστικές µελέτες (οι οποίες δεν έχουν δηµοσιευτεί ακόµα) που έγιναν στο εργαστήριο έδειξαν επίσης ότι η συνεισφορά της διήθησης είναι σηµαντικά µικρότερη από την αναχαίτιση. Σε φίλτρα αξονικής ροής όπου οι ταχύτητες του καυσαερίου είναι µεγαλύτερες, η συνεισφορά της διάχυσης κυµαίνεται σε ποσοστά κοντά στο 1-2% και µειώνεται µε τη φόρτιση αιθάλης, αφού µειώνεται το κλάσµα κενού και συνεπώς αυξάνονται ακόµα περισσότερο οι ταχύτητες. Στα φίλτρα ακτινικής ροής στα οποία οι ταχύτητες είναι µικρότερες, η συνεισφορά της διάχυσης αυξάνεται χωρίς όµως να µπορεί να ξεπεράσει την αναχαίτιση. Αντίστοιχα, ο µηχανισµός της αναχαίτισης ξεκινά από αρκετά υψηλότερο ποσοστό συνεισφοράς στο συνολικό βαθµό διήθησης που µπορεί να κυµαίνεται στο 4-5% και να αυξηθεί κατά τη φόρτιση έως και σε επίπεδα κοντά στο 8-9% ανάλογα βέβαια και µε τον τύπο του αφρού και του φίλτρου. Όλα αυτά βέβαια αποτελούν αντικείµενο µελέτης στο εργαστήριο και αναµένεται να δώσουν ενδιαφέροντα στοιχεία που θα βοηθήσουν στο σχεδιασµό των φίλτρων. Η πειραµατική διερεύνηση για την επίδραση του µεγέθους των πόρων έγινε στον κινητήρα PSA DW12 µε την αξονική διαµόρφωση ροής καυσαερίου (βλ. παράγραφο 8.2.1). Σε αυτή τη διάταξη, µπορούν να τοποθετηθούν δίσκοι διαµέτρου 14 mm µε συνολικό µήκος έως και 1 mm και είναι εύκολο να µετρηθεί η φόρτιση αιθάλης κάθε δίσκου µε ζύγιση του πριν και µετά από κάθε δοκιµή. Το µήκος που χρησιµοποιήθηκε ήταν 2 mm και ο όγκος αφρού.3 l. Στην έξοδο του φίλτρου αφρού τοποθετήθηκε κεραµικό φίλτρο ροής τοιχώµατος το οποίο µπορεί να θεωρηθεί ότι έχει βαθµό κατακράτησης περίπου 1%. Γνωρίζοντας τη µεταβολή της φόρτισης των δίσκων αφρού και του κεραµικού φίλτρου σε µετά από κάθε δοκιµή µπορεί να εκτιµηθεί ο βαθµός απόδοσης διήθησης του αφρού σε όρους µάζας αιθάλης. Στην Εικόνα 4-2 συγκρίνεται ο συνολικός µετρηµένος βαθµός απόδοσης διήθησης µε βάση τη µάζα των σωµατιδίων για αφρούς µε διαφορετικό µέγεθος πόρων. Οι µετρήσεις αφορούν δοκιµές φόρτισης έως τα 12 g/l στις 17 RPM, 3 C, 9 kg/h. Όπως φαίνεται και στο σχήµα ο βαθµός απόδοσης διήθησης µειώνεται, όταν αυξάνεται το µέγεθος των πόρων. Οι ίδιες δοκιµές έγιναν και για διαφορετικό βάθος διήθησης µε φίλτρα αφρού µήκους από 2 έως 8 mm. Στην Εικόνα 4-3 γίνεται σύγκριση του συνολικού βαθµού απόδοσης.

86 7 1 9 Συνολικός βαθµός φιλτραρίσµατος % µm 58 µm 8 µm 12 µm Εικόνα 4-2 Συνολικός βαθµός διήθησης για διάφορα µεγέθη πόρων 1 8 Βαθµός απόδοσης % µm 2 58 µm 8 µm 12 µm Βάθος διήθησης [mm] Εικόνα 4-3 Βαθµός απόδοσης σε σχέση µε το βάθος διήθησης Σύµφωνα µε τη θεωρία διήθησης βάθους, ο βαθµός απόδοσης κατακράτησης αναµένεται να είναι µεγαλύτερος όσο µειώνεται η διάµετρος των σωµατιδίων και η ταχύτητα καυσαερίου. Αυτό επιβεβαιώνεται από τις µετρήσεις µε SMPS σε ένα καθαρό (µε φόρτιση λιγότερο από 1 g/l) φίλτρο αξονικής ροής, µε αφρό 58 µm, µήκους 2 mm, όγκου.3 l. Όπως φαίνεται ξεκάθαρα στην Εικόνα 4-4, η τάση υψηλότερου βαθµού απόδοσης στις µικρές διαµέτρους κινητικότητας σωµατιδίων (Mobility Diameter δηλαδή η διάµετρος µιας σφαίρας που έχει την ίδια κινητικότητα µε ένα σωµατίδια αιθάλης) επιβεβαιώνεται σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας της δοκιµής όπως αναµενόταν και από τη θεωρία διήθησης βάθους. Το ίδιο συµβαίνει και για τη µείωση της απόδοσης, όταν αυξάνεται η παροχή

87 71 καυσαερίου και εποµένως η ταχύτητα εισόδου στο φίλτρο. Αυτό οδηγεί στο συµπέρασµα ότι ο σχεδιασµός των φίλτρων αφρού θα πρέπει να στοχεύει σε όσο το δυνατόν µικρότερες ταχύτητες καυσαερίου αυξάνοντας την επιφάνεια εισόδου [1]. 1% 15 C /.5m/s Βαθµός απόδοσης φιλτραρίσµατος % 8% 6% 4% 2% 24 C / 2.1m/s 34 C / 3.7m/s 42 C / 7.9m/s % ιάµετρος σωµατιδίων [nm] Εικόνα 4-4 Απόδοση διήθησης καθαρού αφρού σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας Συνεχίζοντας τη διερεύνηση του βαθµού απόδοσης διήθησης µελετήθηκε η επίδραση του επιπέδου της φόρτισης στο ίδιο φίλτρο αξονικής ροής. Αυτό έγινε µε φόρτιση του φίλτρου στον κινητήρα σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας (17 RPM, 3 C, 9 kg/h) και ταχύτητα καυσαερίου 2.5 m/s. Οι κατανοµές αριθµών σωµατιδίων σε σχέση µε τη διάµετρο κινητικότητας µετρήθηκαν µε SMPS στην είσοδο και την έξοδο του φίλτρου. Επειδή δεν ήταν δυνατή η ταυτόχρονη µέτρηση σε δύο σηµεία δειγµατοληψίας µετρήθηκαν οι εκποµπές στην είσοδο, στην αρχή και στο τέλος της φόρτισης. ιαπιστώθηκε ότι ήταν σταθερές και έτσι µετρώντας µόνο στην έξοδο κατά τη διάρκεια της δοκιµής προκύπτει µια καλή εκτίµηση του βαθµού απόδοσης σε διάφορα επίπεδα φόρτισης. Όπως φαίνεται από τα παρακάτω διαγράµµατα (Εικόνα 4-5, Εικόνα 4-6, Εικόνα 4-7) ο βαθµός απόδοσης αρχικά αυξάνει και φτάνει ένα µέγιστο, για φόρτιση περίπου 6 g/l. Στη συνέχεια παραµένει σταθερός έως τα 8 g/l και από εκεί και πέρα αρχίζει να µειώνεται. Η συµπεριφορά αυτή µπορεί να εξηγηθεί ως εξής. Με τη φόρτιση αυξάνεται η διάµετρος των ακµών των πόρων και ταυτόχρονα µειώνεται το κλάσµα κενού και η ελεύθερη επιφάνεια καθώς συλλέγεται η αιθάλη. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση των τοπικών ταχυτήτων του καυσαερίου και εποµένως τη µείωση του βαθµού απόδοσης λόγω διάχυσης n D η οποία είναι γνωστό ότι ευνοείται σε µικρά µεγέθη σωµατιδίων και χαµηλές ταχύτητες. Αντίθετα, λόγω της αύξησης της επιφάνειας των ακµών ενισχύεται ο βαθµός απόδοσης διήθησης λόγω αναχαίτισης n R. Αρχικά, η αύξηση του n R υπερτερεί της µείωσης του n D και έτσι ο συνολικός βαθµός απόδοσης αυξάνει. Όταν η φόρτιση βρίσκεται σε µια κρίσιµη περιοχή τα δύο αντίρροπα φαινόµενα έχουν την ίδια επίδραση στο συνολικό

88 72 βαθµό απόδοσης διατηρώντας τον σταθερό. Στη συνέχεια η µείωση της διήθησης λόγω διάχυσης γίνεται τόσο σηµαντική ώστε ο συνολικός βαθµός απόδοσης ακολουθεί πτωτική πορεία. Βέβαια, το επίπεδο φόρτισης στο οποίο θα συµβεί αυτό εξαρτάται από το µέγεθος πόρων του αφρού και τον τύπο του φίλτρου [1]. 1.6E+8 1.4E+8 Είσοδος 1.2E+8 #cm3/dlogdp 1.E+8 8.E+7 6.E+7 4.E+7 Έξοδος g/l 12g/l 6g/l 2.E+7.E ιάµετρος σωµατιδίων [nm] Εικόνα 4-5 Κατανοµή µεγέθους σωµατιδίων στην είσοδο και στην έξοδο φίλτρου αφρού 1 9 Βαθµός απόδοσης φιλτραρίσµατος % g/l 12g/l 6g/l ιάµετρος [nm] Εικόνα 4-6 Βαθµός απόδοσης διήθησης σε σχέση µε το µέγεθος σωµατιδίων

89 Βαθµός απόδοσης φιλτραρίσµατος % Φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικόνα 4-7 Βαθµός απόδοσης διήθησης µε βάση τον συνολικό αριθµό σωµατιδίων σε σχέση µε τη φόρτιση αιθάλης Πτώση πίεσης Η πτώση πίεσης στον αφρό ανά µονάδα µήκους είναι συνάρτηση ενός γραµµικού και ενός τετραγωνικού όρου της ταχύτητας καυσαερίου και δίνεται από την Εξίσωση 4-26 [7]. dp ds = 2 ( s) ρ g us, f + B( ms) µ us, f A m Εξίσωση 4-26 Οι παράµετροι Α και Β είναι συνάρτηση της φόρτισης και προσδιορίζονται πειραµατικά µε µέτρηση της πτώσης πίεσης µε σταθερή θερµοκρασία σε ένα εύρος ταχυτήτων για κάθε επίπεδο φόρτισης. Όπου u s,f είναι η τοπική ταχύτητα του καυσαερίου, s είναι η διεύθυνση της τοπικής ταχύτητας, m s είναι η φόρτιση, ρ g είναι η πυκνότητα και µ είναι το δυναµικό ιξώδες του καυσαερίου. Τα Α, Β που υπολογίστηκαν από τέτοια πειράµατα στη διάταξη µικρής κλίµακας, µε ροή αέρα σε θερµοκρασία 3 C σε αφρούς µεγέθους πόρων 45, 58, 8 και 12 µm παραθέτονται στους παρακάτω πίνακες.

90 74 Πίνακας 6 Παράµετροι πτώσης πίεσης για τον αφρό 45 µm Φόρτιση [g/l] Α 8.46E+3-5.9E+4-1.E E E E E+5-2.5E+5 Β 7.11E E E+1 4.1E E E E+1 1.7E+11 Πίνακας 7 Παράµετροι πτώσης πίεσης για τον αφρό 58 µm Φόρτιση [g/l] Α 1.58E E+4 1.2E+4 7.E+ -8.4E E E E+4-3.E+4 Β 5.31E E+8 7.2E E E E E E E+1 Πίνακας 8 Παράµετροι πτώσης πίεσης για τον αφρό 8 µm Φόρτιση [g/l] Α 5.32E+2 9.2E+3 3.4E+3 9.8E+2-2.8E+2-3.E E+3 Β 2.37E E+9 5.5E E E+1 1.7E E+1 Πίνακας 9 Παράµετροι πτώσης πίεσης για τον αφρό 12 µm Φόρτιση [g/l] Α 4.77E E E+3-8.3E+3-3.6E+4-6.6E E E+5 Β E+7 3.7E+8 4.E+9 9.4E E E E+1 Το Ρ ανά µονάδα µήκους αφρού σε σχέση µε την ταχύτητα εισόδου παρουσιάζεται στην Εικόνα 4-8 για καθαρό αφρό και στην Εικόνα 4-9 ενδεικτικά για τα 7 g/l. Όπως αναµενόταν, όσο µειώνεται το µέγεθος των πόρων, τόσο αυξάνει η πτώση πίεσης.

91 P/L [mbar/cm] Ταχύτητα [m/s] Εικόνα 4-8 Πτώση πίεσης καθαρού αφρού P/L [mbar/cm] Ταχύτητα [m/s] Εικόνα 4-9 Πτώση πίεσης φορτισµένου αφρού στα 7 g/l Αν εφαρµοστεί η Εξίσωση 4-26 χρησιµοποιώντας τις παραµέτρους Α και Β που προσδιορίστηκαν πειραµατικά, τότε µπορεί να υπολογισθεί η πτώση πίεσης ενός φίλτρου. Στην Εικόνα 4-1 παρατηρείται η σύγκριση του µετρηµένου µε το υπολογισµένο P ενός φίλτρου αξονικής ροής µε µέγεθος πόρων 45 µm, όγκου.3 l σε καθαρή κατάσταση για διάφορες συνθήκες θερµοκρασίας και παροχής καυσαερίου.

92 76 15 Σηµεία : µέτρηση Γραµµές: υπολογισµός Πτώση πίεσης [mbar] C 4 C 2 C Παροχή [kg/h] Εικόνα 4-1 Μετρηµένη και υπολογισµένη πτώση πίεσης σε καθαρό φίλτρο 45 µm Η Εικόνα 4-11 συγκρίνει την πτώση πίεσης σε σχέση µε τη φόρτιση για αφρούς µε διαφορετικό µέγεθος πόρων. Οι πειραµατικές µετρήσεις αφορούν τη διαµόρφωση αξονικής ροής κατά τη λειτουργία του κινητήρα στις 17 RPM, 3 C, 9 kg/h µε ταχύτητα καυσαερίου 2.5 m/s. Το P αυξάνεται γρήγορα στα µικρά µεγέθη πόρων (45 και 58 µm) ενώ στους αραιότερους αφρούς παραµένει χαµηλό ακόµα και σε υψηλές φορτίσεις Πτώση πίεσης [mbar] microns 58microns 3 12microns 8microns Φόρτιση αιθάλης [g/l] Εικόνα 4-11 Πτώση πίεσης φορτισµένου αφρού

93 Κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης οκιµές φόρτισης σε φίλτρα αξονικής ροής έδειξαν ότι η κατανοµή της αιθάλης δεν είναι οµοιόµορφη, κάτι που είναι γνωστό για τα φίλτρα διήθησης βάθους από τη βιβλιογραφία [3] και επιπλέον ότι η κατανοµή διαφέρει σε αφρούς µε διαφορετικό µέγεθος πόρων. Η Εικόνα 4-12 δείχνει ότι πυκνότερη δοµή σηµαίνει περισσότερο ανοµοιόµορφη κατανοµή αιθάλης. Η συνολική φόρτιση δεν είναι ίδια για όλους τους αφρούς, αλλά η τάση παραµένει ίδια και σε διαφορετικά επίπεδα φόρτισης. Όσον αφορά την πραγµατική χρήση, η ανοµοιοµορφία δεν είναι επιθυµητή, αφού µπορεί λίγες στρώσεις αφρού να υπερφορτωθούν µε αιθάλη και να αυξήσουν υπερβολικά την πτώση πίεσης. Επιπλέον, σε περίπτωση αναγέννησης, στα σηµεία που η τοπική συγκέντρωση µάζας αιθάλης είναι µεγάλη µπορούν να αναπτυχθούν εξαιρετικά υψηλές θερµοκρασίες και να οδηγήσουν σε καταστροφή του φίλτρου. Ο στόχος είναι, δηλαδή, να επιτευχθεί όσο το δυνατόν πιο οµοιόµορφη κατανοµή της αιθάλης. Μια µέθοδος για να µειωθεί η ανοµοιοµορφία είναι το µεταβλητό µέγεθος πόρων. Αυτό µπορεί να γίνει χρησιµοποιώντας µεγάλο µέγεθος πόρων κοντά στην είσοδο το οποίο σταδιακά µικραίνει πλησιάζοντας την έξοδο. Η λογική είναι να κατακρατηθεί ένα µέρος της αιθάλης από τα πρώτα φύλλα αφρού επιτρέποντας έτσι να φτάσει µικρότερο ποσοστό της µάζας στα πίσω φύλλα που έχουν µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης και µεγαλύτερη ανοµοιοµορφία. Μια τέτοια σύγκριση της κατανοµής ενός φίλτρου 58 µm µε ένα µεικτό αφρό από τρία τµήµατα µε µέγεθος πόρων 12, 8 και 58 µm παρουσιάζεται στην Εικόνα Και τα δύο φίλτρα έχουν µέση φόρτιση 8 g/l µε το µεταβλητό πορώδες να έχει µικρότερη ανοµοιοµορφία στην κατανοµή της µάζας αιθάλης microns Φόρτιση αιθάλης [g/l] microns 58 microns 5 12 microns Μήκος αφρού [mm] Εικόνα 4-12 Κατανοµή της φόρτισης αιθάλης

94 78 g αιθάλης / l αφρού Τµήµα 1 12 µm Τµήµα 2 8 µm Τµήµα 3 58 µm 58 µm 58µm 2 12µm 8µm ίσκος Εικόνα 4-13 Σύγκριση κατανοµής σταθερού και µεταβλητού πορώδους Συµπίεση-ανακατανοµή-διαφυγή της αιθάλης Ένα πολύ σηµαντικό πρόβληµα των φίλτρων αφρού είναι η πιθανή διαφυγή αιθάλης (blow off) και η εµφάνιση αρνητικού βαθµού απόδοσης διήθησης. Θεωρητικά η αποκόλληση των σωµατιδίων συµβαίνει, όταν η υδροδυναµική δύναµη ξεπεράσει τη δύναµη προσκόλλησης. Το φαινόµενο εξαρτάται από το ρυθµό µεταβολής της πίεσης και της ταχύτητας καυσαερίου [65]. Οι πιο ευνοϊκές συνθήκες να συµβεί διαφυγή αιθάλης είναι κατά την επιτάχυνση του οχήµατος (γρήγορη µεταβολή παροχής καυσαερίου) και όταν το φίλτρο έχει µεγάλη φόρτιση. Από τη βιβλιογραφία είναι γνωστό ότι συµβαίνει στα φίλτρα κεραµικού αφρού σε ανάλογες συνθήκες υψηλής φόρτισης και ταχύτητας καυσαερίου [43, 55]. Με σκοπό να ελεγχθεί αν συµβαίνει το ίδιο στον µεταλλικό αφρό, πραγµατοποιήθηκε µια σειρά πειραµατικών δοκιµών στη διάταξη αξονικής ροής καυσαερίου στον κινητήρα. Για τη δοκιµή χρησιµοποιήθηκε ένα φίλτρο αξονικής ροής (.3 liters) µε µη καταλυτικούς δίσκους αφρού οι οποίοι είχαν µέγεθος πόρων 6µm. Το φίλτρο φορτίστηκε σε συνθήκες χαµηλής παροχής καυσαερίου στις 17 rpm µέχρι η φόρτιση του να φτάσει τα 12 g/l που θεωρείται υψηλή. Η αξονική κατανοµή της αιθάλης µετρήθηκε µε ζύγιση του κάθε δίσκου πριν και µετά τη φόρτιση. Στη συνέχεια, το φίλτρο επανατοποθετήθηκε στον κινητήρα και πραγµατοποιήθηκε η δοκιµή διαφυγής της αιθάλης µε απότοµη επιτάχυνση από τις 17 στις 4 rpm. Η παροχή καυσαερίου αυξήθηκε από τα 95 kg/h στα 26 kg/h για περίπου 3 sec και στη συνέχεια επέστρεψε στα 95 kg/h. Η θερµοκρασία καυσαερίου κατά τη διάρκεια της δοκιµής ήταν αρκετά χαµηλά (κάτω από τους 3 C), έτσι ώστε αν διαπιστωθεί απώλεια αιθάλης από τη ζύγιση του αφρού, αυτή να µην οφείλεται σε αναγέννηση. Η Εικόνα 4-14 (α) δείχνει την παροχή, τη θερµοκρασία καυσαερίου στην είσοδο και την πτώση πίεσης στη διάρκεια της δοκιµής. Συγκρίνοντας το Ρ πριν και µετά την επιτάχυνση στο ίδιο σηµείο λειτουργίας του κινητήρα παρατηρείται ότι έχει µειωθεί

95 79 δραµατικά (από τα 275 στα 6 mbar). Αυτή η µείωση δεν προέρχεται από µείωση της µάζας της αιθάλης όπως φαίνεται και από την Εικόνα 4-14 (β) που δείχνει τη ζύγιση των δίσκων πριν και µετά τη δοκιµή. Αντίθετα, η φόρτιση της αιθάλης αυξάνεται από την αιθάλη που κατακρατήθηκε κατά τη διάρκεια της µέτρησης. Αυτή η δοκιµή δίνει σαφείς ενδείξεις ότι στο συγκεκριµένο αφρό δεν παρατηρείται διαφυγή της αιθάλης σε τυπικές συνθήκες λειτουργίας. Η πολύ µεγάλη µείωση της πτώσης πίεσης µετά την επιτάχυνση µπορεί ίσως να αποδοθεί σε αλλαγές στη µορφολογία της κατακρατηµένης αιθάλης. Μπορεί να υποτεθεί ότι οι υψηλές ταχύτητες καυσαερίου κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης προκαλούν µια ανακατανοµή της αιθάλης είτε ως αποτέλεσµα συµπίεσης των δενδριτικών δοµών, είτε λόγω µιας µετατόπισης σωµατιδίων (migration). Τα παραπάνω φαινόµενα µπορούν να έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση του κενού χώρου που είναι διαθέσιµος στο καυσαέριο και εποµένως τη µείωση της πτώσης πίεσης [1] Θερµοκρασία εισόδου 3 mbar, C, kg/h Παροχή καυσαερίου 5 Πτώση πίεσης Χρόνος [s] (α) Φόρτιση αιθάλης [g/l] Πριν Μετά Συνολική φόρτιση: 3.7g 4.6g Μήκος αφρού [mm] (β) Εικόνα 4-14 οκιµή διαφυγής αιθάλης (α) και κατανοµή αιθάλης πριν και µετά τη δοκιµή (β)

96 8 Επιπλέον δοκιµές στην ίδια διάταξη έγιναν για την καλύτερη διερεύνηση του φαινοµένου τοποθετώντας ένα κεραµικό φίλτρο ροής τοιχώµατος ανάντη ενός φορτισµένου φίλτρου µεταλλικού αφρού (µη καταλυτικοί δίσκοι, 6 µm,.3 l). Θεωρώντας ότι το κεραµικό φίλτρο έχει βαθµό κατακράτησης µάζας 1% διασφαλίζεται ότι ο αφρός δεν θα κατακρατήσει σωµατίδια κατά τη διάρκεια της δοκιµής. Ο κινητήρας λειτουργεί σε ένα ευρύ πεδίο στροφών και θερµοκρασιών καυσαερίου και όπως δείχνει η κατανοµή της αιθάλης πριν και µετά την µέτρηση, υπάρχει µια µικρή µετατόπιση µάζας από τους πρώτους τρεις δίσκους προς τα πίσω χωρίς όµως να µεταβάλλεται η συνολική φόρτιση. Αυτό το αποτέλεσµα υποστηρίζει ακόµα περισσότερο την υπόθεση που έγινε προηγουµένως, αποκλείοντας την περίπτωση διαφυγής αιθάλης Θερµοκρασία εισόδου mbar, C, kg/h Παροχή καυσαερίου 5 Πτώση πίεσης Χρόνος [s] Φόρτιση αιθάλης [g/l] Μετά Συνολική φόρτιση αιθάλης: 3g Πρίν 3g Μήκος αφρού [mm] Εικόνα 4-15 οκιµή διαφυγής αιθάλης µε καυσαέριο χωρίς αιθάλη και κατανοµή της φόρτισης πριν και µετά τη δοκιµή

97 81 Πρόσθετες δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν µε µέτρηση της επιφάνειας των σωµατιδίων αιθάλης στο καυσαέριο σε πραγµατικό χρόνο µε χρήση του οργάνου Diffusion Charger. Το όργανο είναι τοποθετηµένο στην έξοδο ενός φορτισµένου φίλτρου αξονικής ροής µε µέγεθος πόρων 12µm και φόρτιση αιθάλης 2 g/l που θεωρείται αρκετά υψηλή για φίλτρο σωµατιδίων. Στη διάρκεια της δοκιµής γίνεται µια απότοµη επιτάχυνση του κινητήρα από τις 17 στις 25 rpm για 1 sec. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 4-16, η µέτρηση δεν δείχνει απότοµη αύξηση της επιφάνειας σωµατιδίων κατά την επιτάχυνση (αντίθετα υπάρχει µείωση προφανώς λόγω µικρότερων εκποµπών αιθάλης σε αυτό το σηµείο λειτουργίας) και εποµένως δεν υπάρχουν ενδείξεις διαφυγής αιθάλης. 2 1 P [mbar], Παροχή καυσαερίου [kg/h] P Παροχή καυσαερίου Επιφάνεια σωµατιδίων Ένδειξη Diffusion charger [fa] Χρόνος [s] Εικόνα 4-16 Μέτρηση επιφάνειας σωµατιδίων κατά την επιτάχυνση Περισσότερες σχετικές µετρήσεις έγιναν στη διάταξη µικρής κλίµακας στην οποία τοποθετήθηκαν δίσκοι αφρού οι οποίοι φορτίστηκαν στα 2.3 m/s και τους 18 C µε πραγµατικό καυσαέριο. Το µέγεθος πόρων των δίσκων ήταν 8 µm και είχαν φόρτιση από 5 έως 25 g/l µε συνολικό µήκος 25 mm. Η δοκιµή γίνεται σε ροή αέρα µε απότοµη αύξηση της παροχής προσοµοιώνοντας την επιτάχυνση κατά την οδήγηση. Η επιλογή της ταχύτητας και της θερµοκρασίας βασίστηκε στα σηµεία λειτουργίας του κινητήρα κατά το νοµοθετηµένο κύκλο οδήγησης NEDC. Αρχικά, η παροχή και η θερµοκρασία είναι σταθερή πλησιάζοντας τις συνθήκες στις οποίες φορτίστηκαν οι δίσκοι. Στη συνέχεια, η ταχύτητα καυσαερίου αυξάνεται απότοµα στα 5 m/s για 3 sec και επιστρέφει στα 3 m/s, όπως φαίνεται στην Εικόνα Η δοκιµή αυτή επαναλήφθηκε για ταχύτητα 7 m/s (Εικόνα 4-18). Η ζύγιση των δίσκων πριν και µετά τις δοκιµές έδειξε ότι στα 5 m/s η µάζα της αιθάλης µειώθηκε 5% και στα 7 m/s µειώθηκε 1%. Ένα µέρος της µείωσης της µάζας της αιθάλης το οποίο από δοκιµές που έγιναν εκτιµήθηκε ότι είναι περίπου 2-3% οφείλεται στη διαδικασία αποσυναρµολόγησης-ζυγίσµατος. Αυτή είναι µια ένδειξη διαφυγής αιθάλης η οποία όµως είναι αµελητέα στους δίσκους µε φόρτιση κάτω από τα 12 g/l όπως φαίνεται και στην κατανοµή φόρτισης (Εικόνα 4-19). Στην πράξη δεν αναµένονται φορτίσεις

98 82 µεγαλύτερες από τα 12 g/l αφού το σύστηµα αναγέννησης θα έχει καθαρίσει το φίλτρο πριν φτάσει σε τέτοια επίπεδα. Συµπερασµατικά, για τις µέγιστες ταχύτητες που συναντιόνται στον κύκλο NEDC (περίπου 5 m/s) η διαφυγή αιθάλης δεν είναι σηµαντική. Ταχύτητες καυσαερίου της τάξης των 7 m/s δεν αναµένονται σε φίλτρα ακτινικής ροής εκτός από συνθήκες λειτουργίας πλήρους φορτίου. P [mbar], Θερµοκρασία [ C] P Θερµοκρασία Παροχή Ταχύτητα Παροχή [slpm], Ταχύτητα αέρα [m/s] Χρόνος [s] Εικόνα 4-17 οκιµή διαφυγής αιθάλης στα 5 m/s P [mbar], Θερµοκρασία [ C] P Θερµοκρασία Παροχή Ταχύτητα Παροχή [slpm], Ταχύτητα αέρα [m/s] Χρόνος [s] Εικόνα 4-18 οκιµή διαφυγής αιθάλης στα 7 m/s

99 mg -> 82.6 mg -> 7 mg Φόρτιση αιθάλης [g/l] Μετά τα 7 m/s Πριν τις δοκιµές Μετά τα 5 m/s ίσκος Εικόνα 4-19 Κατανοµή φόρτισης πριν και µετά τις δοκιµές Μέτρηση του ρυθµού αναγέννησης Η µοντελοποίηση του ρυθµού των αντιδράσεων της αναγέννησης αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό εργαλείο γενικότερα στο σχεδιασµό των φίλτρων αιθάλης. Για το λόγο αυτό θεωρούνται πολύ σηµαντικές οι αξιόπιστες πειραµατικές µετρήσεις που θα αποτελέσουν χρήσιµα δεδοµένα εισόδου υπολογιστικών προγραµµάτων προσοµοίωσης λειτουργίας φίλτρων αιθάλης. Σε αυτή την κατεύθυνση χρησιµοποιήθηκε η διάταξη µικρής κλίµακας για τη µέτρηση του ρυθµού αναγέννησης τόσο µε το O 2 όσο και µε το NO 2. Αυτή η παράγραφος έχει ως στόχο να δείξει την χρησιµότητα του αφρού ως υποστρώµατος και της διάταξης µικρής κλίµακας ως εργαλείου για βασικές διερευνήσεις. Αυτός είναι και ο λόγος που γίνεται συνοπτική και επιλεκτική περιγραφή των πειραµατικών και υπολογιστικών αποτελεσµάτων που προέκυψαν από αυτή τη διάταξη τα οποία παρουσιάζονται λεπτοµερώς σε δηµοσιευµένη εργασία [66]. Τα πειράµατα έγιναν στη διάταξη µικρής κλίµακας η οποία περιγράφεται στην παράγραφο µε δίσκους αφρού µεγέθους πόρων 8 µm που είχαν προηγουµένως φορτιστεί µε αιθάλη σε πραγµατικό καυσαέριο diesel. Η φόρτιση γίνεται µε δειγµατοληψία µέρους του καυσαερίου του κινητήρα το οποίο οδηγείται σε ειδικό θερµαινόµενο κάνιστρο στο οποίο είναι τοποθετηµένοι οι δίσκοι αφρού. Η παροχή και η θέρµανση ελέγχεται ανεξάρτητα, ανάλογα µε τις ανάγκες του πειράµατος. Το βάρος των δίσκων µετράται σε ζυγό ακριβείας πριν και µετά από τη φόρτιση για τον προσδιορισµό της µάζας της αιθάλης που συλλέχθηκε. Στη συνέχεια, φορτισµένοι δίσκοι τοποθετούνται στο φούρνο υψηλής θερµοκρασίας της διάταξης µικρής κλίµακας. Το πείραµα της αναγέννησης µε το O 2 ξεκινά µε θέρµανση των δίσκων σε ροή συνθετικού αέρα στους 3 C για αποµάκρυνση του πτητικού µέρους της αιθάλης. Στη συνέχεια, ο αφρός θερµαίνεται ακόµα περισσότερο έως

100 84 τους 65 C, έτσι ώστε να ξεκινήσει η αναγέννηση. Μια τυπική δοκιµή αναγέννησης παρουσιάζεται παρακάτω (Εικόνα 4-21) για την περίπτωση του µη καταλυτικού αφρού. Κατά τη διάρκεια όλων των πειραµάτων γίνεται καταγραφή της θερµοκρασίας εισόδου και εξόδου, της πτώσης πίεσης, της παροχής και της συγκέντρωσης CO και CO 2. Μετά την αναγέννηση οι δίσκοι ζυγίζονται για τον προσδιορισµό της απώλειας µάζας αιθάλης. Χρησιµοποιώντας τις συγκεντρώσεις των προϊόντων της καύσης της αιθάλης, µπορεί να υπολογισθεί η µάζα που αποµένει και το ρυθµό καύσης. Η ζύγιση των δίσκων επιτρέπει την επαληθεύση αυτού του υπολογισµού. Η σύγκριση του µετρηµένου ρυθµού καύσης για µη καταλυτικό (8µm) και καταλυτικό αφρό (8/P2.5/W5a/2s) δείχνει ότι η καταλυτική επίστρωση δεν επηρεάζει το ρυθµό καύσης µε το O 2, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-2, για ίδιες συνθήκες φόρτισης, θερµοκρασίας και παροχής. Ειδικός ρυθµός οξείδωσης (1/m)(dm/dt) [1/s] Καταλυτικός αφρός Μη καταλυτικός αφρός Θερµοκρασία [ C] Εικόνα 4-2 Σύγκριση ρυθµών αναγέννησης Η µέτρηση του ρυθµού οξείδωσης µε το NO 2 έγινε µε διαφορετικό τρόπο. Οι φορτισµένοι δίσκοι αφρού τοποθετήθηκαν στην ίδια διάταξη, όπως και παραπάνω, αλλά σε ροή πραγµατικού καυσαερίου diesel. Η θερµοκρασία αυξανόταν βηµατικά από τους 2 C έως τους 5 C. Η µετάβαση από το ένα επίπεδο θερµοκρασίας στο επόµενο έγινε µε ροή αζώτου και µετά τη σταθεροποίηση στην επιθυµητή θερµοκρασία γινόταν αλλαγή σε ροή καυσαερίου. Η συγκέντρωση του NO στο καυσαέριο ήταν 37 ppm και του NO 2 21 ppm. Και σε αυτή την περίπτωση η ζύγιση των δίσκων προσδιόρισε την απώλεια µάζας λόγω της οξείδωσης της αιθάλης. Το επόµενο βήµα, ήταν η αξιοποίηση αυτών των πειραµατικών µετρήσεων για τον προσδιορισµό των κινητικών της οξείδωσης της αιθάλης από το O 2 και το NO 2. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιήθηκε το υπολογιστικό µοντέλο Axifoam που διαθέτει το εργαστήριο το οποίο περιγράφεται στην αντίστοιχη δηµοσιευµένη εργασία [66]. Οι αντιδράσεις που χρησιµοποιεί το µοντέλο για την οξείδωση της αιθάλης περιγράφονται από την Εξίσωση 4-27 και την Εξίσωση 4-28.

101 85 C + α O 1 2 α CO ( 1 )CO 2 α PO 2 R = k P n Εξίσωση ( 2 α) CO+ ( 1) CO2 C+ α NO α NO+ α R P NO2 = k Εξίσωση 4-28 P Ο ρυθµός της αντίδρασης εκφράζεται σε mole molec s Όπου k είναι ο όρος Arhennius όπως φαίνεται στην Εξίσωση E RT Ο βαθµός της οξείδωσης α (. 5 1) k = A e Εξίσωση 4-29 α, η τάξη της αντίδρασης n και οι κινητικές παράµετροι A και E µπορούν να ρυθµιστούν κατάλληλα, ενώ η πίεση αναφοράς P θεωρείται σταθερή και ίση µε Pa. Στην Εικόνα 4-21 συγκρίνεται η µετρηµένη µάζα αιθάλης (από το παραγόµενο CO και CO 2 ) µε την υπολογισµένη µάζα που προκύπτει από την προσοµοίωση. Η τάξη της αντίδρασης n µε το O 2 προσδιορίστηκε ίση µε.7 από αναγεννήσεις σε τρία επίπεδα συγκέντρωσης οξυγόνου (5, 1 και 22 %). Η τιµή της ενέργειας ενεργοποίησης για την οξείδωση µε το Ο 2 βρέθηκε ίση µε 15 kj/mole. Αντίστοιχα, για την οξείδωση µε το ΝΟ 2 (Εικόνα 4-22) η ενέργεια ενεργοποίησης προσδιορίστηκε στα 5 kj/mole, τιµές που είναι συµβατές µε τη βιβλιογραφία Θερµοκρασία [ C] Μετρηµένη µάζα αιθάλης Θερµοκρασία εισόδου Υπολογισµένη µάζα αιθάλης Μάζα [mg] Χρόνος [s] Εικόνα 4-21 Υπολογισµένη και µετρηµένη µάζα αιθάλης στην αναγέννηση µε O 2 [66]

102 Μετρηµένη µάζα αιθάλης 2 Θερµοκρασία [ C] 3 2 Υπολογισµένη µάζα αιθάλης 15 1 Μάζα [mg] 1 Θερµοκρασία Χρόνος [s] Εικόνα 4-22 Υπολογισµένη και µετρηµένη µάζα αιθάλης στην αναγέννηση µε ΝO 2 [66] ιερεύνηση άµεσης καταλυτικής αναγέννησης Σε αυτή την παράγραφο περιγράφεται η µελέτη της οξείδωσης της αιθάλης που είναι σε άµεση επαφή µε τον καταλύτη. Στη συγκεκριµένη περίπτωση αναφερόµαστε στον αφρό µε επίστρωση δηµητρίου-ζιρκονίου που περιγράφεται στην παράγραφο Ο στόχος ήταν να διερευνηθεί η χρησιµότητα µιας τέτοιας επίστρωσης, αφού λόγω της ευελιξίας του υλικού, θα ήταν πολύ εύκολο να χρησιµοποιηθεί σε κάποιο τµήµα του φίλτρου ώστε να υποβοηθά την παθητική αναγέννηση. Είναι γνωστή από τη βιβλιογραφία η καταλυτική δράση του δηµητρίου και του ζιρκονίου και η χρησιµότητα της ικανότητας αποθήκευσης-έκλυσης οξυγόνου [19, 67]. Με στόχο τη διερεύνηση αυτού του τύπου καταλυτικής αναγέννησης έγιναν κάποιες δοκιµές µε αντίστοιχες επικαλύψεις. Αρχικά, οι δίσκοι αφρού φορτίζονται µε πραγµατικό καυσαέριο και στη συνέχεια τοποθετούνται στο φούρνο όπου θερµαίνονται έως τους 65 C σε ροή αζώτου για αποµάκρυνση του πτητικού µέρους της αιθάλης. Στη συνέχεια, ψύχονται πάντα σε ροή Ν 2 έως τους 2 C που αποτελεί και τη θερµοκρασία εκκίνησης της αναγέννησης. Τότε η ροή αλλάζει σε συνθετικό αέρα και ακολουθεί θέρµανση έως τους 65 C. Η Εικόνα 4-23 παρουσιάζει µια µέτρηση σε έναν αφρό 58 µm, µε επίστρωση δηµητρίου-ζιρκονίου, σε συγκέντρωση 7 g/l, µε αρχική φόρτιση αιθάλης 3 g/l. Η καταλυτική αναγέννηση που οφείλεται στην άµεση επαφή της αιθάλης µε τα σηµεία της επίστρωσης που υπάρχει δηµήτριο-ζιρκόνιο πραγµατοποιείται στην περιοχή των C, όπως προκύπτει και από την υπολογιζόµενη µάζα οξειδωµένης αιθάλης από το εκλυόµενο CO, CO 2. Η θερµική οξείδωση, όπως αναµενόταν, λαµβάνει χώρα σε θερµοκρασίες πάνω από τους 55 C.

103 87 Μάζα [mg], P [mbar], CO [ppm] Καταλυτική οξείδωση Μη καταλυτική οξείδωση Μάζα αιθάλης P CO CO2 Τεισόδου Θερµοκρασία [ C], CO2 [ppm] Χρόνος [s] Εικόνα 4-23 Αναγέννηση σε αφρό µε επίστρωση δηµητρίου-ζιρκονίου Αυτός ο τύπος επίστρωσης δείχνει να είναι πολλά υποσχόµενος για εφαρµογή στα φίλτρα αφρού τα οποία έχουν πολύ καλή επαφή του καταλύτη µε την αιθάλη και υπερτερούν έναντι των φίλτρων ροής τοιχώµατος. Ο προβληµατισµός που προκύπτει είναι η αιτία για την οποία ένα µεγάλο µέρος της αιθάλης, δεν επηρεάζεται από την επίστρωση δηµητρίουζιρκονίου. Θα µπορούσαν να δοθούν δύο πιθανές εξηγήσεις. Η πρώτη πιθανότητα είναι ότι κατά τη φόρτιση οι πρώτες στρώσεις αιθάλης βρίσκονται σε επαφή µε την επίστρωση, αλλά για τις επόµενες στρώσεις που ακολουθούν δεν ισχύει το ίδιο. Η άλλη περίπτωση είναι ότι υπάρχει ανοµοιοµορφία στη διασπορά του δηµητρίου-ζιρκονίου πάνω στην επιφάνεια της επίστρωσης λόγω της µεθόδου επίστρωσης και έτσι η αιθάλη σε κάποιες περιοχές δεν είναι σε επαφή µε αυτό. Σε παρόµοιες δοκιµές αναγέννησης που έγιναν µε υψηλότερη φόρτιση 6 g/l, το ποσοστό της αιθάλης που οξειδώνεται µη καταλυτικά παρέµεινε περίπου το ίδιο. Αν ίσχυε η πρώτη περίπτωση το ποσοστό αυτό έπρεπε να αυξηθεί αφού µεγαλύτερο µέρος της αιθάλης δεν βρίσκεται σε επαφή µε την επίστρωση. Άρα η δεύτερη εξήγηση µοιάζει πιο πιθανή και µάλλον η επίδραση της ανοµοιοµορφίας στη διασπορά του δηµητρίου-ζιρκονίου είναι σηµαντικότερη. Αυτό είναι κάτι που µπορεί να λυθεί µε βελτίωση της κατανοµής του δηµητρίου-ζιρκονίου στην επίστρωση. Επειδή αυτή η συµπεριφορά µπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιµη για τη συγκεκριµένη εφαρµογή, ο ρόλος της άµεσης καταλυτικής αναγέννησης µελετήθηκε ακόµα περισσότερο. Οι αφροί που χρησιµοποιήθηκαν για αυτό το σκοπό, είχαν µέγεθος πόρων 58 µm και επίστρωση δηµητρίου-ζιρκονίου σε συγκέντρωση 5 g/l χωρίς ευγενή µέταλλα (Pt). Η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε είναι η παρακάτω: Φόρτιση δίσκων αφρού στη διάταξη µικρής κλίµακας µε πραγµατικό καυσαέριο το οποίο λαµβάνεται κατάντη ενός κεραµικού οξειδωτικού καταλύτη ο οποίος βρίσκεται σε θερµοκρασία περίπου 3 C, ώστε να εξασφαλίζεται η οξείδωση του πτητικού µέρους της αιθάλης (SOF). Η φόρτιση που γίνεται µε ξηρή αιθάλη έχει δύο

104 88 πλεονεκτήµατα. Πρώτο αποκλείει ένα παράγοντα αβεβαιότητας (ποσοστό πτητικού µέρους) και δεύτερο αποτελεί καλύτερη προσέγγιση των πραγµατικών συνθηκών λειτουργίας. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η ταχύτητα του καυσαερίου ήταν 3 m/s και η θερµοκρασία των µικρών δίσκων αφρού 18-2 C. Όλοι οι δίσκοι ζυγίζονται πριν και µετά τη φόρτιση και έτσι προσδιορίζεται η µάζα της αιθάλης. Τοποθέτηση των φορτισµένων δίσκων αφρού στο φούρνο υψηλής θερµοκρασίας σε ροή αέρα και θέρµανση έως τους 4 C. Ακολουθεί ψύξη έως τους 1 C σε ροή αζώτου. Αυτή η διαδικασία θέρµανσης-ψύξης επαναλαµβάνεται τρεις φορές και όλοι οι δίσκοι ζυγίζονται πριν και µετά τη µέτρηση για τον προσδιορισµό της απώλειας µάζας αιθάλης. Κατά τη διάρκεια της δοκιµής γίνεται µέτρηση της θερµοκρασίας, πτώσης πίεσης, παροχής και συγκέντρωσης CO, CO 2, HC στην έξοδο του φούρνου. Επαναφόρτιση των δίσκων αφρού και επανάληψη της διαδικασίας αναγέννησης. Η Εικόνα 4-24 δείχνει µια δοκιµή αναγέννησης µε αφρό 58 µm και επίστρωσης δηµητρίου-ζιρκονίου µε συγκέντρωση 5 g/l. Η καύση της αιθάλης κατά την πρώτη θέρµανση είναι σηµαντική, αλλά στις επόµενες παρατηρείται πολύ µικρή µείωση της µάζας, όπως φαίνεται και από την µέτρηση του CO, CO 2 και τον αντίστοιχο υπολογισµό της µάζας αιθάλης. Η απώλεια µάζας µετά το τέλος του πειράµατος παρατηρείται σε όλους τους δίσκους (Εικόνα 4-25), όµως η αναγέννηση των φορτισµένων δίσκων σταµατά και η µάζα που αποµένει δεν µπορεί να οξειδωθεί σε αυτές τις συνθήκες. Μάζα [mg], CO,HC [ppm], Τ [ C] Αέρας Άζωτο Αέρας Άζωτο Αέρας Άζωτο Τεισόδου 5 Μάζα αιθάλης HC CO 5 1 CO2 Χρόνος [s] CO2 [ppm] Εικόνα 4-24 οκιµή µερικής αναγέννησης σε αφρό µε επίστρωση δηµητρίου-ζιρκονίου

105 mg -> 39 mg g αιθάλης / l αφρού Μετά Πριν ίσκος Εικόνα 4-25 Κατανοµή µάζας αιθάλης πριν και µετά τη µερική αναγέννηση Στη συνέχεια, οι δίσκοι επαναφορτίζονται µε αιθάλη και η δοκιµή αναγέννησης επαναλαµβάνεται. Όπως φαίνεται στα παρακάτω γραφήµατα (Εικόνα 4-26 και Εικόνα 4-27), η οξείδωση σε αυτή την περίπτωση είναι περιορισµένη σε σχέση µε την πρώτη αναγέννηση. Σαν συµπέρασµα, µπορεί να αναφερθεί ότι η καταλυτική δράση της επίστρωσης δηµητρίου-ζιρκονίου στην οξείδωση της αιθάλης δεν είναι επαναλήψιµη µετά από µία µερική αναγέννηση ίσως γιατί λόγω της µερικής αναγέννησης δεν φτάνει πάντα το ίδιο ποσοστό της νέας αιθάλης σε επαφή µε την επίστρωση. Επιπλέον, η καταλυτική δράση µετά από µια µερική αναγέννηση εµφανίζεται σηµαντικά µειωµένη και συνεπώς αυτό το είδος επίστρωσης δεν είναι κατάλληλο για το πίσω µέρος του φίλτρου. Μάζα [mg], CO,HC [ppm], Τ [ C] Αέρας Άζωτο Αέρας Άζωτο Αέρας Άζωτο 1 Τεισόδου Μάζα 5 αιθάλης HC CO CO2 5 1 Χρόνος [s] CO2 [ppm] Εικόνα 4-26 οκιµή µερικής αναγέννησης µετά από επαναφόρτιση

106 Πριν 79 mg -> 72 mg g αιθάλης / l αφρού Μετά ίσκος Εικόνα 4-27 Κατανοµή µάζας αιθάλης πριν και µετά τη µερική αναγέννηση επαναφορτισµένων δίσκων 4.2 Πρωτότυπα φίλτρα αιθάλης Το επόµενο βήµα µετά την παραµετρική διερεύνηση των βασικών µεγεθών λειτουργίας ήταν η χρήση αυτών των πληροφοριών και της εµπειρίας που αποκτήθηκε στο σχεδιασµό, την κατασκευή και την αξιολόγηση πρωτοτύπων φίλτρων αιθάλης από µεταλλικό αφρό. Όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, ένας από τους βασικούς στόχους του σχεδιασµού θα πρέπει είναι η µείωση της ταχύτητας καυσαερίου. Έτσι, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν µια σειρά από φίλτρα µε διαφορετική διαµόρφωση ροής καυσαερίου που είχαν αυξηµένη επιφάνεια διήθησης σε σχέση µε το φίλτρο αξονικής ροής. Συνολικά δοκιµάστηκαν τρεις διαφορετικές διαµορφώσεις ροής καυσαερίου. ιαµόρφωση ακτινικής ροής. Στη διαµόρφωση ακτινικής ροής καυσαερίου (radial flow) τα φύλλα αφρού τυλίγονται γύρω από έναν διάτρητο µεταλλικό σωλήνα, του οποίου το ποσοστό της επιφάνειας του που είναι ανοιχτή και επιτρέπει στη ροή να διέλθει είναι πάνω από 6%. Έτσι, δηµιουργείται ένα κυλινδρικό φίλτρο, όπως φαίνεται στην Εικόνα Το καυσαέριο µπορεί να εισέρχεται είτε εσωτερικά διαµέσου του σωλήνα, είτε εξωτερικά και αναγκάζεται να περάσει µέσα από τον αφρό. Η έξοδος του καυσαερίου γίνεται εξωτερικά ή εσωτερικά αντίστοιχα (Εικόνα 4-29). Στις δύο άκρες του φίλτρου τοποθετείται µονωτικό υλικό µε την ονοµασία Fiber mat το οποίο έχει διπλή χρησιµότητα. Πρώτον, στεγανοποιεί την επιφάνεια µεταξύ των τυλιγµένων φύλλων και της µεταλλικής πλάκας και δεύτερον επιδεικνύει ελαστικότητα και µπορεί να ακολουθεί το µήκος του αφρού ο οποίος συστέλλεται και διαστέλλεται µε τις µεταβολές της θερµοκρασίας. Τα πλεονεκτήµατα της ακτινικής ροής

107 91 είναι η πολύ µεγάλη επιφάνεια διήθησης σε σχέση µε το φίλτρο αξονικής ροής και η σχετική ευκολία στην κατασκευή [1]. Τυλιγµένα φύλλα αφρού ιάτρητος σωλήνας Είσοδος φίλτρου Έξοδος φίλτρου Εικόνα 4-28 Φίλτρο ακτινικής ροής

108 92 Εικόνα 4-29 ιαµόρφωση ακτινικής ροής ιαµόρφωση σταυρωτής ροής Η διαµόρφωση σταυρωτής ροής κατασκευάζεται µε τοποθέτηση ενός µεταλλικού διαφράγµατος στο φίλτρο ακτινικής ροής (Εικόνα 4-3). Το καυσαέριο εισέρχεται εσωτερικά και εξαναγκάζεται από το διάφραγµα να περάσει διαµέσου του µπροστινού τµήµατος του αφρού. Στη συνέχεια, περνάει µέσα από το πίσω τµήµα αφρού και εξέρχεται µέσω του διάτρητου σωλήνα, όπως φαίνεται και στην Εικόνα Η υπολογιστική διερεύνηση έδειξε ότι οι βέλτιστες θέσεις για το διάφραγµα είναι στο 1/2 και στα 2/3 του µήκους του φίλτρου. Αυτή η διαµόρφωση στοχεύει στον καλύτερο συµβιβασµό µεταξύ P, χρόνου παραµονής και βαθµού απόδοσης κατακράτησης σωµατιδίων. Επίσης, στην περίπτωση που ο µεταλλικός δακτύλιος είναι στα 2/3 του µήκους, τότε το µπροστινό τµήµα του αφρού είναι σηµαντικά µεγαλύτερο από το πίσω τµήµα. Παράλληλα, το µπροστινό κοµµάτι που έχει και µεγαλύτερη επιφάνεια, άρα και

109 93 µικρότερες ταχύτητες καυσαερίου αναµένεται να συλλέγει µεγαλύτερη ποσότητα αιθάλης. Αντίστοιχα, στο µικρό κοµµάτι οι ταχύτητες θα είναι µεγαλύτερες, αλλά θα έχει λιγότερη φόρτιση. Έτσι, ίσως µπορεί να επιτευχθεί καλύτερη οµοιοµορφία στην κατανοµή της αιθάλης και συνεπώς µικρότερη πτώση πίεσης. Ένα κατασκευαστικό πλεονέκτηµα αυτής της διαµόρφωσης είναι ότι δεν είναι απαραίτητοι διαχύτες στην είσοδο και στην έξοδο του φίλτρου [6]. ιάτρητος σωλήνας Τυλιγµένα φύλλα αφρού Μεταλλικός δίσκος Μονωτικό fiber mat Εικόνα 4-3 Κατασκευή φίλτρου σταυρωτής ροής Εικόνα 4-31 ιαµόρφωση σταυρωτής ροής

110 94 ιαµόρφωση διπλής ακτινικής ροής Η διαµόρφωση διπλής ακτινικής ροής αποτελείται ουσιαστικά από δύο φίλτρα ακτινικής ροής το ένα µέσα στο άλλο, όπως δείχνει η Εικόνα 4-32 και η Εικόνα Το µεγάλο πλεονέκτηµα αυτής της διαµόρφωσης είναι η επιφάνεια διήθησης που είναι περίπου 5% µεγαλύτερη από το φίλτρο ακτινικής ροής. Βέβαια, η κατασκευή του είναι πιο πολύπλοκη και έχει µεγαλύτερο κόστος σε σχέση µε τα άλλα πρωτότυπα. Εξωτερικό τµήµα Εσωτερικό τµήµα Εικόνα 4-32 Φίλτρο διπλής ακτινικής ροής Εικόνα 4-33 ιαµόρφωση διπλής ακτινικής ροής Ο Πίνακας 1 παραθέτει τα χαρακτηριστικά όλων των πρωτότυπων φίλτρων αιθάλης µεταλλικού αφρού που κατασκευάστηκαν και αξιολογήθηκαν στα πλαίσια της εργασίας. Χρησιµοποιήθηκαν και οι τρεις διαµορφώσεις ροής µε διάτρητους σωλήνες δύο διαφορετικών διαµέτρων 4 και 5 mm. Όσον αφορά το µέγεθος πόρων υπάρχουν δύο εκδοχές. Η πρώτη είναι τα φίλτρα µε σταθερό πορώδες, όπου χρησιµοποιείται µόνο ένας τύπος αφρού (πρωτότυπα 45, 58, 58 cat και πρωτότυπο 8) και η δεύτερη είναι τα

111 95 φίλτρα στα οποία υπάρχει συνδυασµός αφρών µε διαφορετικό µέγεθος πόρων (πρωτότυπα 1 έως 7). Στα φίλτρα µε µεταβλητό µέγεθος πόρων τοποθετούνται αραιότεροι αφροί στις πρώτες στρώσεις κοντά στην είσοδο του καυσαερίου και πυκνότεροι προς την έξοδο. Αυτό βοηθά στον περιορισµό της ανοµοιοµορφίας της κατανοµής αιθάλης µέσα στο φίλτρο όπως περιγράφεται και στην παράγραφο Η µεταβλητή καταλυτική επίστρωση είναι κάτι µε πολλές χρησιµότητες και εφαρµόζεται στα πρωτότυπα 1, 5 και 6. Αφενός µπορούν να χρησιµοποιήθούν πολλοί διαφορετικοί τύποι (αλουµίνα, ζεόλιθος, δηµήτριο-ζιρκόνιο) ταυτόχρονα σε ένα φίλτρο και αφετέρου να δηµιουργηθεί µεταβλητή συγκέντρωση καταλύτη µέσα στον αφρό µειώνοντας το συνολικό κόστος. Αυτή η ευελιξία µπορεί να αξιοποιηθεί και στη µείωση του λόγου NO 2 /NOx. Τοποθετώντας στην είσοδο του φίλτρου αφρό µε µεγάλη συγκέντρωση καταλύτη, εξασφαλίζεται η αποτελεσµατική οξείδωση των αέριων ρύπων όπως το CO, των υδρογονανθράκων αλλά ταυτόχρονα και του NO προς NO 2. Στις επόµενες στρώσεις η ποσότητα καταλύτη µειώνεται ή τοποθετούνται µη καταλυτικοί αφροί. Έτσι, το παραγόµενο στα πρώτα φύλλα NO 2 µπορεί να αντιδράσει µε την αιθάλη που βρίσκεται στις πίσω στρώσεις και να µετατραπεί ξανά σε NO (όπως περιγράφεται και στην παράγραφο 2.2.2). Αυτή η τεχνική είναι πολλά υποσχόµενη για τη µείωση του διαφεύγοντος NO 2. Σε αυτό το σηµείο θα ήταν χρήσιµο να γίνουν µερικές παρατηρήσεις σχετικά µε το στόχο σχεδιασµού του κάθε πρωτοτύπου και τις µεταξύ τους διαφορές. Αρχικά ήταν διαθέσιµος µόνο ο σωλήνας διαµέτρου 4 mm και έτσι ο µεγαλύτερος των 5 mm χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά στο πρωτότυπο 4. Η αρχική προσέγγιση ήταν η διαµόρφωση ακτινικής ροής µε σταθερό µέγεθος πόρων 45 µm. Η πολύ υψηλή πτώση πίεσης οδήγησε στη χρήση µεγαλύτερου µεγέθους πόρων και έτσι κατασκευάστηκε το πρωτότυπο 58. Λόγω των απαιτήσεων για ακόµα χαµηλότερο P και ικανότητα παθητικής αναγέννησης κατασκευάστηκε το φίλτρο 58 cat το οποίο είχε επίστρωση από αλουµίνα. Οι βασικές διερευνήσεις σχετικά µε την κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης σε αφρό µε σταθερό και µεταβλητό µέγεθος πόρων έδειξαν το πλεονέκτηµα του τελευταίου και έτσι κατασκευάστηκε ένα πρωτότυπο µε µεταβλητό πορώδες. Αυτό ήταν το πρωτότυπο 1 (8/58/45 µm) το οποίο συνδύαζε µη καταλυτικό αφρό και αφρό ο οποίος είχε επίστρωση από αλουµίνα. Στο πρωτότυπο 2 δοκιµάστηκε η είσοδος της ροής εσωτερικά και χρησιµοποιήθηκε και αφρός µε µέγεθος πόρων 12 µm. Το τρίτο πρωτότυπο ήταν µια παραλλαγή του πρωτοτύπου 1 µε οµοιόµροφη επίστρωση από ζεόλιθο. Οι υπολογιστικές διερευνήσεις που γινόταν στο ΕΕΘ παράλληλα µε την διατριβή έδειξαν κάποια πλεονεκτήµατα που µπορεί να προκύψουν από τη διαµόρφωση σταυρωτής ροής. Έτσι κατασκευάστηκε το τέταρτο πρωτότυπο (8/58 µm) στο οποίο το διάφραγµα τοποθετήθηκε στα 2/3 του µήκους του φίλτρου. Επίσης δοκιµάστηκε η συνδυασµένη επίστρωση από αλουµίνα και ζεόλιθο ταυτόχρονα σε ένα φίλτρο. Το πρωτότυπο 5 ήταν ένα σχέδιο που συνδύαζε µη καταλυτικό αφρό µε επιστρώσεις από αλουµίνα και ζεόλιθο µε στόχο τη µείωση του διαφεύγοντος ΝΟ 2. Η προσπάθεια σε αυτή την κατεύθυνση συνεχίστηκε µε το πρωτότυπο 6. Σε αυτό προστέθηκε αφρός µε επίστρωση δηµητρίουζιρκονίου η οποία όπως φάνηκε από τις βασικές διερευνήσεις έχει δυνατότητες υποβοήθησης της παθητικής αναγέννησης. Έτσι σε αυτό το φίλτρο συνδυάστηκαν τρία

112 96 διαφορετικά είδη επιστρώσεων και ταυτόχρονα αυξήθηκε σηµαντικά η συνολική ποσότητα πολύτιµων µετάλλων. Στο πρωτότυπο 7 το διάφραγµα τοποθετήθηκε για πρώτη φορά στο µέσο του φίλτρου. Στο εµπρόσθιο τµήµα χρησιµοποιήθηκε µεταβλητό µέγεθος πόρων (8/58 µm) και στο δεύτερο τµήµα αφρός 8 µm. Η επίστρωση που χρησιµοποιήθηκε είναι δηµήτριο-ζιρκόνιο και πολύ χαµηλή συνολική φόρτιση πλατίνας. Αυτός ο συνδυασµός επιλέχθηκε για να διαπιστωθεί, εάν επίστρωση δηµητρίου-ζιρκονίου µπορεί να διατηρήσει σε ικανοποιητικά επίπεδα τη δυνατότητα παθητικής αναγέννησης παρά τη µικρή ποσότητα πολύτιµων µετάλλων. Στο πρωτότυπο 8 χρησιµοποιήθηκε η διαµόρφωση διπλής ακτινικής ροής µε στόχο την αύξηση της επιφάνειας διήθησης και τη µείωση της πτώσης πίεσης του φίλτρου.

113 97 Πίνακας 1 Χαρακτηριστικά πρωτότυπων φίλτρων αφρού Ονοµασία Μέγεθος πόρων Ροή ιάµετρος Είσοδος Συγκέντρωση Συγκέντρωση Ποσότητα Όγκος φίλτρου [µm] καυσαερίου διάτρητου καυσαερίου επίστρωσης [g/l] καταλύτη καταλύτη αφρού σωλήνα [g/l] [g] [l] [mm] Πρωτότυπο 45 (σταθερό) Ακτινική 4 Εξωτερικά Πρωτότυπο 58 (σταθερό) Ακτινική 4 Εξωτερικά Πρωτότυπο 58 (σταθερό) Ακτινική 4 Εξωτερικά 5 (αλουµίνα) cat Πρωτότυπο 1 Μεταβλητό Ακτινική 4 Εξωτερικά Μεταβλητή (µη Μεταβλητή (8/58/45) καταλυτικός αφρός/ αλουµίνα) Πρωτότυπο 2 Μεταβλητό (12/8/58/45) Ακτινική 4 Εσωτερικά 25 (ζεόλιθος) Πρωτότυπο 3 Μεταβλητό (8/58/45) Ακτινική 4 Εξωτερικά 5 (ζεόλιθος) Πρωτότυπο 4 Μεταβλητό Σταυρωτή 5 Εσωτερικά 5 (αλουµίνα/ζεόλιθος) (8/58) (διάφραγµα 2/3) Πρωτότυπο 5 Μεταβλητό Σταυρωτή 5 Εσωτερικά Μεταβλητή (µη Μεταβλητή (8/58/45) (διάφραγµα καταλυτικός αφρός/ 2/3) αλουµίνα/ζεόλιθος) Πρωτότυπο 6 Μεταβλητό Σταυρωτή 5 Εσωτερικά Μεταβλητή (αλουµίνα Μεταβλητή (8/58/45) (διάφραγµα /ζεόλιθος/ δηµήτριο- 2/3) ζιρκόνιο ) Πρωτότυπο 7 Μεταβλητό Σταυρωτή 5 Εσωτερικά 5 (δηµήτριο-ζιρκόνιο) (8/58) (διάφραγµα 1/2) Πρωτότυπο 8 58 (σταθερό) ιπλή 4/135 Εσωτερικά 5 (αλουµίνα ) ακτινική

114 98 Οι επιφάνειες εισόδου και εξόδου για όλα τα πρωτότυπα καθώς και η σύγκριση µε την επιφάνεια του αξονικού φίλτρου παρατίθενται παρακάτω (Πίνακας 11). Πίνακας 11 Ονοµασία φίλτρου Επιφάνεια Επιφάνεια Λόγος Λόγος εισόδου εξόδου Aεισ./Aεξ. Aεισ./Aεισ. [mm 2 ] [mm 2 ] αξονικού φίλτρου Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο Πρωτότυπο Οι αφροί που χρησιµοποιήθηκαν σε κάθε πρωτότυπο αναφέρονται σύµφωνα µε την ονοµατολογία που περιγράφεται στην παράγραφο 3.1, στις εικόνες που ακολουθούν (Εικόνα 4-34-Εικόνα 4-44).

115 Εικόνα 4-34 Πρωτότυπο Εικόνα 4-35 Πρωτότυπο Εικόνα 4-36 Πρωτότυπο 58 cat

116 1 Εικόνα 4-37 Πρωτότυπο 1 Εικόνα 4-38 Πρωτότυπο 2 Εικόνα 4-39 Πρωτότυπο 3

117 11 Εικόνα 4-4 Πρωτότυπο 4 Εικόνα 4-41 Πρωτότυπο Εικόνα 4-42 Πρωτότυπο 6

118 12 Εικόνα 4-43 Πρωτότυπο Εικόνα 4-44 Πρωτότυπο 8 Για λόγους σύγκρισης έγιναν πειραµατικές µετρήσεις και µε δύο εµπορικά κεραµικά φίλτρα ροής τοιχώµατος SiC µε καταλυτική επίστρωση των οποίων τα χαρακτηριστικά παραθέτει ο Πίνακας 12. Πίνακας 12 Χαρακτηριστικά κεραµικών φίλτρων Φίλτρο Αριθµός Πυκνότητα Πάχος Όγκος ιάµετρος Μήκος Συγκέντρωση Ποσότητα Γήρανση τεµαχίων κελιών [cpsi] τοιχώµατος φίλτρου [l] [mm] [mm] Pt [g/l] Pt [g] [mils] SiC cat 2.5 l h στους 65 C SiC cat 4 l h στους 65 C

119 ιερεύνηση λειτουργίας πρωτοτύπων σε κινητήρα ιαδικασία αξιολόγησης Η αξιολόγηση των πρωτότυπων φίλτρων αφρού έγινε στους κινητήρες VW 1.9TDi και PSA DW12 που ήταν εγκατεστηµένοι σε δυναµόµετρο. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι η διαδικασία αξιολόγησης ήταν ίδια για όλα τα πρωτότυπα, αλλά σε κάποια σηµεία µεταβαλλόταν ανάλογα µε το στόχο σχεδιασµού του κάθε φίλτρου και τη διαθεσιµότητα του εξοπλισµού. Στόχος της διαδικασίας ήταν ο χαρακτηρισµός των φίλτρων όσον αφορά τα παρακάτω χαρακτηριστικά λειτουργίας: Βαθµός απόδοσης διήθησης σε όρους µάζας και αριθµού σωµατιδίων Πτώση πίεσης Παθητική αναγέννηση Καταλυτική απόδοση (µόνο για τα φίλτρα µε επίστρωση) Η διαδικασία της αξιολόγησης ξεκινά µε τη δοκιµή φόρτισης µέχρι η µάζα στο φίλτρο να φτάσει τα 1 g αιθάλης/l αφρού. Το πρωτόκολλο φόρτισης είναι συνδυασµός λειτουργίας του κινητήρα σε σταθερά και µεταβατικά σηµεία, έτσι ώστε να προσοµοιώνει καλύτερα την πραγµατική χρήση. Η θερµοκρασία καυσαερίου παραµένει πάντα σε χαµηλά επίπεδα και µέχρι τους 3 C έτσι ώστε να αποφεύγεται η παθητική αναγέννηση, όπως περίπου συµβαίνει και κατά την οδήγηση του οχήµατος σε αστικές συνθήκες. Στόχος της δοκιµής φόρτισης είναι η µέτρηση του βαθµού απόδοσης διήθησης και της πτώσης πίεσης σε σχέση τη µάζα αιθάλης που έχει συλλεχθεί στο φίλτρο. Στη συνέχεια, γίνονται δοκιµές παθητικής αναγέννησης σε διάφορα επίπεδα θερµοκρασίας. Πιο συγκεκριµένα, οι δοκιµές γίνονται στους 33 και 4 C αλλά και σε συνθήκες πλήρους φορτίου µε τη θερµοκρασία καυσαερίου να φτάνει τους 6 C. Σε όλες τις µετρήσεις που αναφέρθηκαν υπάρχει δυνατότητα συνεχούς καταγραφής της πτώσης πίεσης, των θερµοκρασιών εισόδου και εξόδου, του βαθµού απόδοσης κατακράτησης σωµατιδίων σε όρους µάζας και αριθµού, των στροφών περιστροφής του κινητήρα, της παροχής καυσαερίου και των συγκεντρώσεων CO, NO, NOx, O 2 και υδρογονανθράκων. Βεβαίως, η διάταξη διαµορφωνόταν ανάλογα µε τις ανάγκες της κάθε µέτρησης και της διαθεσιµότητας του εξοπλισµού του εργαστηρίου. Η ζύγιση του φίλτρου πριν και µετά την κάθε δοκιµή προσδιορίζει τη µάζα της συλλεγµένης αιθάλης. Για λόγους χώρου, συντοµίας και ευκολότερης ανάγνωσης του κειµένου δεν θα παρατεθούν τα πειραµατικά αποτελέσµατα για όλα τα πρωτότυπα αλλά µόνο την πλήρη διαδικασία αξιολόγησης του πρωτοτύπου 6. Επιπλέον, θα παρουσιαστούν και κάποια επιλεγµένα αποτελέσµατα µε άλλα πρωτότυπα που κρίνεται χρήσιµο να συζητηθούν. Στο

120 14 τέλος αυτής της µελέτης γίνεται παράθεση των συγκεντρωτικών συγκριτικών διαγραµµάτων έτσι ώστε να προκύψει µια συνολική εικόνα της συµπεριφοράς όλων των πρωτοτύπων. Στο σχήµα που ακολουθεί (Εικόνα 4-45) παρουσιάζεται µια δοκιµή φόρτισης µε το πρωτότυπο 6 στον κινητήρα VW 1.9TDi µε ένα συνδυασµό διαφορετικών σηµείων λειτουργίας όπως φαίνεται παρακάτω. 35 RPM/2 Nm, 23 kg/h, 26 C για 6 min 2 RPM/3 Nm, 95 kg/h, 22 C για 6 min 2 RPM/75 Nm, 135 kg/h, 27 C για 6 min 17 RPM/5 Nm, 9 kg/h, 24 C για 6 min Ρελαντί, 35 kg/h, 14 C για 6 min 17 RPM/6 Nm, 1 kg/h, 25 C για 1 h Αυτό το πρωτόκολλο αποτελεί την τυπική δοκιµή φόρτισης για τη διαδικασία αξιολόγησης όλων των πρωτοτύπων και επαναλαµβάνεται µέχρι να επιτευχθεί φόρτιση περίπου 9-1 g/l. Η µέτρηση της συλλεγµένης µάζας γίνεται µε ζύγιση του πρωτοτύπου πριν και µετά τη φόρτιση. Στο συγκεκριµένο φίλτρο, η δοκιµή φόρτισης επαναλήφθηκε µε έναν οξειδωτικό καταλύτη ανάντη του πρωτοτύπου 6. Το υπόστρωµα του καταλύτη είναι κορδιερίτης, 1.25 l, µε επίστρωση ζεολίθου σε συγκέντρωση 1 g/l και Pt σε συγκέντρωση 5 g/l που σηµαίνει ότι η συνολική ποσότητα πολύτιµων µετάλλων είναι 6.25 g. Οι θερµοκρασίες καυσαερίου κατά τη φόρτιση είναι αρκετά υψηλές, ώστε να εξασφαλίζεται η ενεργοποίηση του καταλύτη και η πλήρης οξείδωση του πτητικού µέρους της αιθάλης. Θεωρητικά, ο καταλύτης αυξάνει τη συγκέντρωση του NO 2 και έτσι υποβοηθά την παθητική αναγέννηση. Οι θερµοκρασίες όµως στη διάρκεια της φόρτισης είναι χαµηλές για την οξείδωση της αιθάλης µε το NO 2 και έτσι δεν αναµένεται σηµαντική επίδραση στη συλλεγόµενη µάζα. Και στις δύο περιπτώσεις, για την ίδια διάρκεια φόρτισης η µάζα στο φίλτρο ήταν περίπου 22.7 g που αντιστοιχεί σε 9.1 g/l. Αυτό που αλλάζει στην περίπτωση της ξηρής αιθάλης που έχει συλλεχθεί µετά από καταλύτη είναι το πολύ µικρό ποσοστό του SOF. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-46, ο καταλύτης έχει κάποια επίδραση στην πτώση πίεσης του φίλτρου η οποία κυµαίνεται περίπου στο 1% για τις χαµηλές φορτίσεις, αλλά η διαφορά µειώνεται σηµαντικά σε µεγαλύτερα επίπεδα φόρτισης. Η επίδραση στο βαθµό απόδοσης σε όρους µάζας είναι µικρότερη και φτάνει έως το 5%.

121 15 mbar, C, kg/h P Τεισ. Παροχή Βαθµός απόδοσης Βαθµός απόδοσης % Χρόνος [s] Εικόνα 4-45 οκιµή φόρτισης µε το πρωτότυπο 6 Πτώση πίεσης [mbar] P 9kg/h P 9kg/h DOC P 23kg/h P 23kg/h DOC n 9kg/h n 9kg/h DOC Βαθµός απόδοσης % Φόρτιση [g/l] Εικόνα 4-46 Επίδραση του καταλύτη στην πτώση πίεσης και στον βαθµό απόδοσης Το επόµενο βήµα της διαδικασίας αξιολόγησης είναι οι µετρήσεις παθητικής αναγέννησης. Αφού φορτιστεί το φίλτρο αφρού σύµφωνα µε το πρωτόκολλο που αναφέρθηκε παραπάνω, γίνονται δοκιµές αναγέννησης µε σταθερή παροχή καυσαερίου, στις 27 RPM για δύο επίπεδα θερµοκρασίας 33 και 4 C. Στα αντίστοιχα διαγράµµατα (Εικόνα 4-47, Εικόνα 4-48) παρουσιάζονται οι δοκιµές που έγιναν χωρίς οξειδωτικό καταλύτη ανάντη του φίλτρου. Από τη µέτρηση των θερµοκρασιών εισόδου και εξόδου προκύπτει ότι η δοκιµή γίνεται σε ισοθερµοκρασιακές συνθήκες. Πρέπει να τονιστεί ότι η ανάλυση καυσαερίου γίνεται στην έξοδο του φίλτρου εκτός από το χρονικό διάστηµα που σηµειώνεται πάνω στο διάγραµµα όπου γίνεται µέτρηση στην είσοδο. Η ζύγιση του φίλτρου πριν και µετά τις δοκιµές δίνει τη µεταβολή στη µάζα αιθάλης κατά τη διάρκεια της αναγέννησης.

122 16 mbar, C, kg/h, ppm, Βαθµός απόδοσης % Βαθµός απόδοσης Παροχή P NOx NO NO2 Τεισ. Τεξ. NO εισόδου NO2 εισόδου Χρόνος [s] 222 mbar, C, kg/h, ppm, Βαθµός απόδοσης % Εικόνα 4-47 οκιµή παθητικής αναγέννησης στους 33 C P Τεισ. Τεξ. Παροχή NOx NO NO2 Βαθµός απόδοσης NO εισόδου NO2 εισόδου Χρόνος [s] Εικόνα 4-48 οκιµή παθητικής αναγέννησης στους 4 C Όπως φαίνεται από τα παρακάτω στοιχεία που δίνει ο Πίνακας 13, η απώλεια µάζας στους 33 C είναι µικρή, περίπου 3g όπως δείχνει η ζύγιση. Αντίστοιχα, η µείωση του P είναι επίσης µικρή και ο βαθµός απόδοσης ουσιαστικά παραµένει αµετάβλητος κατά τη διάρκεια της αναγέννησης. Στους 4 C η οξείδωση της αιθάλης είναι πιο έντονη, όπως φαίνεται από την µεγαλύτερη απώλεια µάζας που είναι περίπου στα 8 g, από την µείωση των mbar στην πτώση πίεσης και από το βαθµό απόδοσης που µειώνεται από το 88 στο 8 %. Ο οξειδωτικός καταλύτης συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ΝΟ 2, χωρίς όµως η αύξηση αυτή να συνεισφέρει για τις συγκεκριµένες συνθήκες στη µεταβολή

123 17 της µάζας και του P κατά τη διάρκεια της αναγέννησης. Λαµβάνοντας υπ όψη ότι το πρωτότυπο 6 έχει καταλυτική επίστρωση, µπορεί να γίνει η υπόθεση ότι σε αυτές τις συνθήκες, το µεγαλύτερο ποσοστό της οξείδωσης του ΝΟ προς ΝΟ 2 που είναι δυνατό να γίνει σε αυτές τις συνθήκες, γίνεται ούτως η άλλως και µέσα στο φίλτρο και αυτός πιθανότατα είναι ο λόγος που δεν επηρεάζεται σηµαντικά η παθητική αναγέννηση από τον οξειδωτικό καταλύτη. Πίνακας 13 Συνθήκες λειτουργίας στις δοκιµές παθητικής αναγέννησης Χωρίς καταλύτη Με καταλύτη Χωρίς καταλύτη Με καταλύτη T [ C] 33 4 Παροχή [kg/h] 2 23 NO [ppm] NO 2 [ppm] NOx [ppm] NO 2/NOx % NOx/αιθάλη Μεταβολή µάζας [g] Μεταβολή P [mbar] Η επόµενη δοκιµή στη διαδικασία αξιολόγησης του πρωτοτύπου 6 είναι η αναγέννηση σε συνθήκες πλήρους ισχύος του κινητήρα. Σε αυτό το πείραµα, ο κινητήρας λειτουργεί στη µέγιστη ισχύ του, στις 4 RPM/15 Nm µε παροχή 34 kg/h και θερµοκρασία 64 C. Στις συνθήκες αυτές µπορεί να µετρηθεί η µέγιστη πτώση πίεσης του φίλτρου για φόρτιση 9.3 g/l. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-49, το P ξεκινά από 53 mbar πριν ανέβει αρκετά η θερµοκρασία για να αρχίσει η καύση της αιθάλης και όταν καθαρίσει το φίλτρο πέφτει στα 2 mbar.

124 18 mbar, C, kg/h P Τεισ. Παροχή NOx Χρόνος [s] NOx [ppm] Εικόνα 4-49 Αναγέννηση σε συνθήκες πλήρους ισχύος και υψηλής θερµοκρασίας Επίδραση της συµπίεσης-ανακατανοµής της αιθάλης Έγιναν εκτεταµένες µετρήσεις µε σκοπό τη µελέτη του φαινοµένου της συµπίεσηςανακατανοµής της αιθάλης κατά τη µεταβατική λειτουργία του κινητήρα σε υψηλές στροφές περιστροφής, όπως περιγράφηκε στην παράγραφο Στην Εικόνα 4-5 (α) παρουσιάζεται µια δοκιµή φόρτισης µε το πρωτότυπο 45 στον κινητήρα DW12 κατά την οποία στην αρχή γίνεται συλλογή αιθάλης σε σταθερό σηµείο λειτουργίας στις 17 RPM. Όταν η µάζα της αιθάλης φτάσει περίπου τα 1 g γίνεται αύξηση των στροφών περιστροφής του κινητήρα για 3 sec και επαναφορά στο σηµείο φόρτισης. Αυτό επαναλαµβάνεται κάθε 5 λεπτά σε συνεχώς αυξανόµενο επίπεδο στροφών, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-5 (β). Μετά από κάθε επιτάχυνση η πτώση πίεσης στο σηµείο αναφοράς µειώνεται λόγω πιθανής συµπίεσης-ανακατανοµής της αιθάλης µέσα στον αφρό. Σηµειώνεται ότι φίλτρο είναι µη καταλυτικό και ότι η θερµοκρασία που δεν ξεπερνά τους 32 C είναι χαµηλή για παθητική αναγέννηση. Η Εικόνα 4-5 (γ) δείχνει τη µείωση σε mbar και την ποσοστιαία µείωση του P. Το ποσοστό µείωσης της πτώσης πίεσης ανεβαίνει γρήγορα από το 11% για τις 2 RPM έως το 46% στις 25 RPM, ενώ από εκεί και πέρα παραµένει σταθερό περίπου στο 35% που αντιστοιχεί σε 4 mbar, δηλαδή επανέρχεται στην αρχή τιµή της πτώσης πίεσης. Αυτή η συµπεριφορά δίνει πληροφορίες για τη συσχέτιση της συµπίεσης της αιθάλης, µε την πίεση και την ταχύτητα καυσαερίου. Από ότι φαίνεται, για την αιθάλη που συλλέχθηκε σε σταθερές συνθήκες χαµηλής παροχής η συµπίεση εξαρτάται έντονα από το επίπεδο της επιτάχυνσης έως και τις 25 RPM. Μπορεί να γίνει η υπόθεση ότι υπάρχει ένα κρίσιµο όριο πίεσης και ταχύτητας πέρα από το οποίο η αιθάλη δεν µπορεί να συµπιεστεί περισσότερο για αυτό η µείωση του P δεν εξαρτάται από την πίεση και την ταχύτητα του καυσαερίου. Η µείωση όµως που παρατηρείται στις 3, 35 και 4 RPM πιθανότατα οφείλεται σε συµπίεση της

125 19 αιθάλης που έχει εναποτεθεί στο διάστηµα µεταξύ δύο επιταχύνσεων και έχει µικρότερη πυκνότητα από την ήδη υπάρχουσα. Έτσι η επόµενη επιτάχυνση συµπιέζει και τη νέα αιθάλη και για αυτό το P επιστρέφει στην προηγούµενη τιµή του (όπως συµβαίνει στις 3, 35 και 4 RPM). Η συµπεριφορά αυτή αναµένεται να λειτουργήσει ευνοικά για την πτώση πίεσης κατά τη χρήση του φίλτρου σε πραγµατικές συνθήκες οδήγησης οι οποίες είναι µεταβατικές συνεχώς. Η µέτρηση του βαθµού απόδοσης διήθησης µε το SMPS σε όρους αριθµού σωµατιδίων για την ίδια δοκιµή φόρτισης δείχνει αντίστοιχη τάση κατά τις επιταχύνσεις. Αρχικά παρατηρείται άνοδος του βαθµού στο σταθερό σηµείο λειτουργίας, όπως αναµένεται. Ο βαθµός απόδοσης µειώνεται κατά τις επιταχύνσεις, αλλά σε πολύ µικρότερο ποσοστό από ότι στην πτώση πίεσης, όπως δείχνει η Εικόνα 4-5 (γ).

126 11 mbar, C, kg/h, RPM/ Παροχή P Τεισ. RPM/1 Βαθµός απόδοσης Χρόνος [s] Βαθµός απόδοσης % (α) mbar, C, kg/h, RPM/ Παροχή Τεισ. Βαθµός απόδοσης P RPM/ Χρόνος [s] Βαθµός απόδοσης % (β) Μείωση P %, µείωση P [mbar] Ποσοστιαία µείωση P % Μείωση P σε mbar Ποσοστιαία µείωση βαθµού απόδοσης % Στροφές κινητήρα RPM Μείωση βαθµού απόδοσης % (γ) Εικόνα 4-5 Επίδραση της παροχής στο P φορτισµένου αφρού.

127 4.3.3 Επίδραση της ταχύτητας καυσαερίου και της φόρτισης στο βαθµό απόδοσης διήθησης 111 Η Εικόνα 4-51 δείχνει µια τυπική δοκιµή φόρτισης στον VW 1.9TDi µε το πρωτότυπο 4 η οποία κατέληξε σε φόρτιση 9.5 g/l. 35 P Τεισ. Παροχή Στροφές κινητήρα mbar, C, kg/h RPM Χρόνος [s] Εικόνα 4-51 οκιµή φόρτισης µε το πρωτότυπο 4 Στη συγκεκριµένη φόρτιση ο βαθµός απόδοσης µετρήθηκε µε το SMPS σε όρους αριθµού σωµατιδίων και µε το Smokemeter σε όρους µάζας. Οι κατανοµές του βαθµού απόδοσης σε σχέση µε τη διάµετρο των σωµατιδίων για διάφορα επίπεδα φόρτισης (Εικόνα 4-52) δίνονται για τα παρακάτω σηµεία λειτουργίας του κινητήρα. 35 RPM, 23 kg/h, 27 C, 3 m/s 2 RPM, 135 kg/h, 29 C, 2 m/s 17 RPM, 9 kg/h, 27 C, 1.2 m/s Ρελαντί, 35 kg/h, 15 C,.4 m/s Προκύπτει ότι η κατακράτηση των σωµατιδίων µειώνεται, όσο αυξάνεται η ταχύτητα καυσαερίου. Αντίθετα, η αυξανόµενη φόρτιση βελτιώνει το βαθµό απόδοσης ο οποίος φτάνει σε επίπεδα της τάξης του 9% για µάζα αιθάλης που αντιστοιχεί σε 9.5 g/l. Στην Εικόνα 4-53 συγκρίνονται οι µετρήσεις του SMPS και του Smokemeter (ως παράδειγµα παρατίθενται τα δεδοµένα για το σηµείο των 2 RPM). Η συσχέτιση του βαθµού απόδοσης για αριθµό σωµατιδίων µε τον αντίστοιχο για τη µάζα είναι αρκετά καλή µε µέγιστη απόκλιση 12 %. Ακόµα, παρατηρείται ότι η απόκλιση µικραίνει όσο αυξάνεται η µάζα αιθάλης στο φίλτρο.

128 112 Βαθµός απόδοσης 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % 3 m/s 2 m/s 1.2 m/s.4 m/s ιάµετρος σωµατιδίων [nm] (α) Βαθµός απόδοσης 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % 3 m/s 2 m/s 1.2 m/s.4 m/s ιάµετρος σωµατιδίων [nm] (β) Βαθµός απόδοσης 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % 3 m/s 2 m/s 1.2 m/s.4 m/s ιάµετρος σωµατιδίων [nm] (γ) Εικόνα 4-52 Βαθµός απόδοσης σε σχέση µε τη διάµετρο σωµατιδίων (α) καθαρό φίλτρο, (β) 5 g/l, (γ) 9.5 g/l

129 113 Βαθµός απόδοσης % SMPS Smokemeter Απόκλιση Φόρτιση [g/l] Απόκλιση % Εικόνα 4-53 Σύγκριση βαθµού απόδοσης µετρηµένου µε το SMPS και το Smokemeter Κατανοµή της σωµατιδιακής φόρτισης Το πρωτότυπο 45 µετά τις µετρήσεις στον κινητήρα, αποσυναρµολογήθηκε και έγινε ζύγιση των τυλιγµένων φύλλων αφρού. Στη συνέχεια, τα φύλλα καθαρίστηκαν στο φούρνο σε θερµοκρασία 65 C παρουσία αέρα και ζυγίστηκαν ξανά. Έτσι, προσδιορίστηκε η κατανοµή της µάζας αιθάλης (Εικόνα 4-54). Η ανοµοιοµορφία της κατανοµής είναι πολύ µεγάλη αφού το 86% της µάζας έχει συλλεχθεί στα πρώτα 6 φύλλα αφρού. Αυτό σηµαίνει ότι οι επόµενες στρώσεις δεν συνεισφέρουν ιδιαίτερα στο φιλτράρισµα και επιπλέον προσθέτουν πτώση πίεσης στο φίλτρο. Αυτό το αποτέλεσµα κάνει επιτακτική τη βελτίωση της κατανοµής φόρτισης µε τη χρήση αφρού µεταβλητού µεγέθους πόρων. g αιθάλη / l αφρού g αιθάλης/l αφρού Μάζα αιθάλης Μάζα αιθάλης [g] Έξοδος <-- Φύλλο --> Είσοδος Εικόνα 4-54 Κατανοµή της φόρτισης στο πρωτότυπο 45

130 Μέγιστο όριο φόρτισης για ασφαλή αναγέννηση Η διερεύνηση για το µέγιστο όριο φόρτισης, όσον αφορά την ασφαλή αναγέννηση, έγινε µε δύο τύπους φίλτρου, ακτινικής και σταυρωτής ροής για δύο διαφορετικές περιπτώσεις καταστροφικής αναγέννησης. Η πρώτη περίπτωση αφορά τη λειτουργία του κινητήρα PSA DW12 χωρίς ενεργοποίηση του συστήµατος ενεργητικής αναγέννησης (Post Injection). Σε αυτό το σενάριο, ο κινητήρας λειτουργεί στις 35 RPM και πλήρες φορτίο, έτσι ώστε η θερµοκρασία καυσαερίου να υπερβεί τους 62 C. Τότε γίνεται ξαφνική µετάβαση στο ρελαντί προσοµοιώνοντας την περίπτωση που ο οδηγός πατάει όλο το πετάλ επιτάχυνσης και αµέσως µετά κάνει στάση χωρίς να σβήσει τον κινητήρα. Στις συνθήκες πλήρους φορτίου, η θερµοκρασία είναι αρκετά υψηλή για να αρχίσει η καύση της αιθάλης. Στη συνέχεια, κατά τη µετάβαση στο ρελαντί η παροχή µειώνεται απότοµα µε αποτέλεσµα να µην ψύχεται αρκετά γρήγορα το φίλτρο από το καυσαέριο που είναι χαµηλότερης θερµοκρασίας και ταυτόχρονα η συγκέντρωση O 2 αυξάνεται σηµαντικά. Αυτές οι συνθήκες ευνοούν την ανεξέλεγκτη καύση της αιθάλης µε συνέπεια την τοπική ανάπτυξη πολύ υψηλών θερµοκρασιών που µπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία του φίλτρου. Μια τέτοια δοκιµή µε το πρωτότυπο 1 παρουσιάζεται στην Εικόνα Σε αυτές τις δοκιµές θα ήταν πολύ χρήσιµη η µέτρηση θερµοκρασιών µέσα στο φίλτρο. Επειδή όµως είναι δύσκολο να τοποθετηθούν θερµοστοιχεία µέσα στον αφρό, επιλέχθηκε να γίνει µέτρηση θερµοκρασίας εξόδου σε τρία σηµεία του διάτρητου σωλήνα, όπως φαίνεται από τη θέση των θερµοστοιχείων Τ2, Τ3 και Τ4. Μετά τη λειτουργία του κινητήρα σε πλήρες φορτίο, η θερµοκρασία εισόδου Τ1 ξεπερνά τους 62 C και τότε γίνεται µετάβαση στο ρελαντί. Οι µετρήσεις των Τ2 και Τ3 δείχνουν κάποια εξωθερµία λόγω της έντονης καύσης της αιθάλης, η οποία καταδεικνύεται και από τη σηµαντική µείωση της συγκέντρωσης του Ο 2 στην έξοδο. Τέτοιες δοκιµές καταστροφικής αναγέννησης έγιναν σε διάφορα επίπεδα φόρτισης για να διαπιστωθεί το µέγιστο όριο µάζας αιθάλης για ασφαλή αναγέννηση. Η συγκεκριµένη δοκιµή έγινε µε φόρτιση αιθάλης 13 g/l και κατέληξε σε καταστροφή του φίλτρου, όπως δείχνει και η Εικόνα Άρα, συµπεραίνεται, ότι για τις συγκεκριµένες συνθήκες αναγέννησης προτείνεται η φόρτιση περίπου στα g/l ως το µέγιστο όριο για ασφαλή αναγέννηση του φίλτρου.

131 115 7 T1 T2 T3 T mbar, C, kg/h O2 % 1 P Παροχή T1 T2 T3 T4 O2 εξ. O2 εισ Χρόνος [s] Εικόνα 4-55 οκιµή καταστροφικής αναγέννησης µε το πρωτότυπο 1 Εικόνα 4-56 Το πρωτότυπο 1 µετά τη δοκιµή καταστροφικής αναγέννησης Η δεύτερη περίπτωση καταστροφικής αναγέννησης που µελετήθηκε έγινε στον κινητήρα Daimler OM646 µε ενεργοποίηση του συστήµατος ενεργητικής αναγέννησης (Post Injection). Σε αυτή τη δοκιµή, ο κινητήρας λειτουργεί στις 2 RPM/4 Nm και ενεργοποιείται η µετέγχυση καυσίµου έτσι ώστε η θερµοκρασία καυσαερίου να αυξηθεί έως τους 62 C. Σε αυτό το σηµείο γίνεται ξαφνική µετάβαση στο ρελαντί προσοµοιώνοντας την περίπτωση που ο υπολογιστής του οχήµατος αποφασίζει ότι πρέπει να καθαρίσει το φίλτρο και ταυτόχρονα ο οδηγός κάνει στάση χωρίς να σβήσει τον κινητήρα. Και σε αυτήν την περίπτωση, γίνεται ανεξέλεγκτη καύση της αιθάλης που µπορεί να οδηγήσει σε υψηλές θερµοκρασίες και καταστροφή του φίλτρου. Μια τέτοια δοκιµή έγινε µε το πρωτότυπο 6 σε φόρτιση 12 g/l και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται

132 116 στην Εικόνα Και εδώ, παρατηρείται έντονη καύση της αιθάλης, όπως δείχνει η θερµοκρασία και η µεγάλη µείωση της συγκέντρωσης Ο 2 στην έξοδο. Η δοκιµή κατέληξε στην καταστροφή του φίλτρου και όπως δείχνει η Εικόνα 4-58, ο αφρός έχει λιώσει στο µπροστινό τµήµα κοντά στο διάφραγµα του φίλτρου, όπου προφανώς υπήρχε µεγαλύτερη συγκέντρωση αιθάλης και αναπτύχθηκαν µεγαλύτερες θερµοκρασίες P Τεισ. Τεξ. Παροχή Ο2 εξ. Ο2 εισ mbar, C, kg/h Χρόνος [s] Ο2 % Εικόνα 4-57 οκιµή καταστροφικής αναγέννησης µε το πρωτότυπο 6 Εικόνα 4-58 Το πρωτότυπο 6 µετά τη δοκιµή καταστροφικής αναγέννησης Οι παραπάνω δοκιµές αναδεικνύουν την ανάγκη για περαιτέρω λεπτοµερή διερεύνηση του µέγιστου ορίου για ασφαλή αναγέννηση. Προτείνεται σειρά δοκιµών µε διαφορετικά φίλτρα σε διαφορετικά πρωτόκολλα καταστροφικής αναγέννησης, ώστε να καλυφθούν όλες οι δυνατές περιπτώσεις στις οποίες µπορεί να αστοχήσει το φίλτρο. Επίσης, θα ήταν

133 117 πολύ χρήσιµο να τοποθετηθούν θερµοστοιχεία µέσα στον αφρό έτσι ώστε να µετρηθεί πόσο υψηλές θερµοκρασίες αναπτύσσονται και σε ποια σηµεία του φίλτρου. Με αυτό τον τρόπο θα γίνει γνωστό αν ξεπερνιούνται κάποια όρια θερµοκρασίας πάνω από τα οποία µεταβάλλονται σηµαντικά οι ιδιότητες του υλικού ακόµα και αν η θερµοκρασία δεν υπερβεί το όριο τήξης του αφρού. Με βάση την εµπειρία από όλη τη διαδικασία, προτείνεται η παρακάτω διαδικασία µελέτης του µέγιστου ορίου για ασφαλή αναγέννηση. 1. Φόρτιση του φίλτρου στο οποίο έχουν τοποθετηθεί θερµοστοιχεία σε διαφορετικές ακτινικές και αξονικές θέσεις, ώστε να δίνουν πλήρη εικόνα της θερµοκρασιακής κατανοµής στον αφρό. Κατά τη φόρτιση να γίνεται µέτρηση του P και του βαθµού απόδοσης σε όρους µάζας και αριθµού σωµατιδίων. Προτείνεται η διαδικασία να αρχίσει µε στόχο µια σχετικά χαµηλή φόρτιση περίπου ίση µε 5-6 g/l. 2. οκιµή αναγέννησης, όπως περιγράφηκε στην πρώτη περίπτωση, χωρίς τη χρήση του συστήµατος ενεργητικής αναγέννησης. 3. Έλεγχος του φίλτρου µε σύγκριση του P και του βαθµού απόδοσης σε όρους µάζας και αριθµού σωµατιδίων πριν και µετά την αναγέννηση. 4. Επανάληψη των βηµάτων 1 έως 3 µε επιπλέον 1 g/l φόρτισης µέχρι την καταστροφή του φίλτρου. 5. Επανάληψη των βηµάτων 1 έως 4, αλλά στο βήµα 2 η δοκιµή να γίνει σύµφωνα µε τη δεύτερη περίπτωση χρησιµοποιώντας το σύστηµα ενεργητικής αναγέννησης Yπολογισµός φόρτισης αιθάλης Στις εµπορικές εφαρµογές, το όχηµα είναι εφοδιασµένο µε σύστηµα µέτρησης της θερµοκρασίας καυσαερίου και της πτώσης πίεσης του φίλτρου αιθάλης. Ο υπολογιστής του οχήµατος χρειάζεται αυτά τα δεδοµένα, γιατί σε συνδυασµό µε την παροχή αέρα του κινητήρα µπορούν να δώσουν µια καλή εκτίµηση της µάζας της αιθάλης µέσα στο φίλτρο. Έτσι, µπορεί να γνωρίζει αν η φόρτιση είναι εντός των ορίων που έχουν προκαθοριστεί από τον κατασκευαστή. Αυτά αφορούν τη µέγιστη αποδεχτή αντίθλιψη και τη συνεπαγόµενη αύξηση στην κατανάλωση καυσίµου, αλλά και το µέγιστο όριο φόρτισης αιθάλης, ώστε να εξασφαλίζεται ασφαλή αναγέννηση χωρίς να υπάρχει πιθανότητα καταστροφής του φίλτρου. Ο κατασκευαστής, έχοντας όλα αυτά τα στοιχεία, µπορεί να σχεδιάσει τη στρατηγική της ενεργητικής αναγέννησης του φίλτρου, έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η επίπτωση στην κατανάλωση αλλά ταυτόχρονα αυτό να προστατεύεται από αστοχία. Στα πλαίσια της όσο το δυνατόν πιο ολοκληρωµένης µελέτης των φίλτρων µεταλλικού αφρού, έγινε µια προσπάθεια εύρεσης ενός τέτοιου υπολογισµού µε στόχο τον προσδιορισµό της µάζας αιθάλης µε δεδοµένα εισόδου την πτώση πίεσης, τη θερµοκρασία εισόδου και την παροχή αέρα του κινητήρα.

134 118 Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκε το πρωτότυπο 6 το οποίο τοποθετήθηκε στον κινητήρα VW 1.9 TDi κατάντη ενός µη καταλυτικού κεραµικού φίλτρου ροής τοιχώµατος. Θεωρώντας 1% κατακράτηση της αιθάλης από το κεραµικό φίλτρο, διασφαλίζεται ότι το πρωτοτύπο από αφρό δεν συλλέγει αιθάλη κατά τη διάρκεια της δοκιµής. Επιπλέον, κρατώντας τη θερµοκρασία καυσαερίου πάντα σε χαµηλά επίπεδα εξασφαλίζεται ότι δεν θα υπάρξει απώλεια µάζας αιθάλης λόγω παθητικής αναγέννησης. Οι µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν είχαν στόχο τη µέτρηση της πτώσης πίεσης σε διάφορα επίπεδα θερµοκρασίας στους 2 και 3 C και σε όλο το εύρος παροχών καυσαερίου, όπως φαίνεται στην Εικόνα Αρχικά, αυτό έγινε µε το φίλτρο σε καθαρή κατάσταση. Στη συνέχεια, το πρωτότυπο τοποθετήθηκε στον κινητήρα χωρίς το κεραµικό φίλτρο για να φορτιστεί µε αιθάλη και η τελική µάζα που συλλέχθηκε προσδιορίστηκε µε ζύγιση πριν και µετά τη φόρτιση. Ακολούθησε η διαδικασία που προαναφέρθηκε για µέτρηση της πτώσης πίεσης σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Συνολικά, η διαδικασία επαναλήφθηκε για διάφορα επίπεδα φόρτισης:, 2, 4.4 και 6.4 g/l. Έτσι συγκεντρώνονται δεδοµένα που καλύπτουν ένα πολύ ευρύ φάσµα συνθηκών λειτουργίας του φίλτρου και του κινητήρα. P [mbar], Τ [ C], Παροχή [kg/h] P Τεισ. Τεξ. Παροχή Στροφές RPM Χρόνος [s] Εικόνα 4-59 Μέτρηση P του πρωτοτύπου 6 σε διάφορες συνθήκες µε φόρτιση 2 g/l

135 119 Πτώση πίεσης [mbar] Καθαρό φίλτρο 2g/l 4.4g/l 6.4g/l Παροχή καυσαερίου [kg/h] Εικόνα 4-6 Πειραµατικά δεδοµένα P σε σχέση µε την παροχή καυσαερίου Με βάση τα πειραµατικά δεδοµένα σε διάφορα επίπεδα φόρτισης µπορεί να βρεθεί µια σχετικά απλή συσχέτιση του P µε τη µάζα αιθάλης και την ταχύτητα καυσαερίου λαµβάνοντας έτσι υπ όψη τη θερµοκρασία και την παροχή. οκιµάζοντας διάφορες σχέσεις του P µε τη µάζα και την ταχύτητα βρέθηκε ότι µια αρκετά καλή προσέγγιση της µετρηµένης τιµής φόρτισης δίνεται από την Εξίσωση 4-3. P= ( a+ soot) b u c mid Εξίσωση 4-3 Από αυτή τη σχέση µπορεί να υπολογιστεί η φόρτιση αιθάλης σύµφωνα µε την Εξίσωση soot P = c umid 1 Εξίσωση 4-31 b a P σε [mbar], φόρτιση soot σε [g], u mid ταχύτητα καυσαερίου στη µέση επιφάνεια του µπροστινού τµήµατος του φίλτρου (µήκος=.2m, διάµετρος=.85m) σε [m/s] και a=1, b=.9, c=1.5 είναι ρυθµιζόµενοι παράγοντες. Η συσχέτιση της πτώσης πίεσης µε τη φόρτιση και την ταχύτητα καυσαερίου σύµφωνα µε την Εξίσωση 4-3 απεικονίζεται παρακάτω (Εικόνα 4-61).

136 12 Πτώση πίεσης [mbar] ( a+ soot) c mid (a+soot[g])^b*u^c b u Εικόνα 4-61 Συσχέτιση της πτώσης πίεσης µε τη φόρτιση και την ταχύτητα καυσαερίου Όσον αφορά την ταχύτητα που εξυπηρετεί καλύτερα τον υπολογισµό, διαπιστώθηκε ότι χρησιµοποιώντας την ταχύτητα καυσαερίου στη µέση επιφάνεια του µπροστινού τµήµατος ο αντίστροφος υπολογισµός δίνει την καλύτερη εκτίµηση της φόρτισης. Σε αυτό το αρχικό στάδιο, ο υπολογισµός δείχνει να µην λειτουργεί ικανοποιητικά σε πολύ χαµηλές παροχές όπως στο ρελαντί. Έτσι, εφαρµόστηκαν κάποια φίλτρα στον υπολογισµό, όπως κινούµενος µέσος όρος 1 sec (δεδοµένου ότι είναι πολύ µικρό χρονικό διάστηµα για να αλλάξει σηµαντικά η φόρτιση) και η αγνόηση των σηµείων µε πολύ χαµηλή παροχή. Η εφαρµογή του υπολογισµού για την παραπάνω πειραµατική διαδικασία στον κινητήρα παρουσιάζεται στην Εικόνα Οι περιοχές σε κύκλο είναι οι µετρήσεις πτώσης πίεσης σε διάφορες συνθήκες µε το κεραµικό φίλτρο ανάντη του αφρού όπου δεν υπάρχει συλλογή αιθάλης από τον αφρό και για αυτό εκεί η µετρηµένη µάζα παραµένει σταθερή. Ανάµεσα από αυτές τις περιοχές µεσολαβούν οι φορτίσεις σε σταθερά σηµεία στα οποία ο κινητήρας λειτουργεί στις 17 RPM για 25 λεπτά και στη συνέχεια στις 35 RPM για 5 λεπτά. Είναι φανερό ότι ο αντίστροφος υπολογισµός προσεγγίζει τη µετρηµένη µάζα µόνο στα σηµεία µετά από έντονη µεταβατική λειτουργία σε υψηλές παροχές καυσαερίου. Για παράδειγµα, στα σταθερά σηµεία των 17 RPM µε παροχή 1 kg/h η απόκλιση είναι µεγάλη και αυξάνεται µε τη φόρτιση. Όπως αναφέρεται και στην παράγραφο 4.1.4, κατά τη µεταβατική λειτουργία σε υψηλές παροχές και εποµένως υψηλές πιέσεις και ταχύτητες καυσαερίου συµβαίνουν διάφορα φαινόµενα συµπίεσης και ανακατανοµής της αιθάλης µέσα στον αφρό µε ταυτόχρονη σηµαντική µείωση του P. Σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι η εξαγωγή του υπολογισµού έγινε από έντονα µεταβατικά πειράµατα στα οποία η αιθάλη ήταν συνεχώς σε συµπιεσµένη κατάσταση. Άρα, είναι αναµενόµενο ο υπολογισµός να λειτουργεί καλύτερα σε αντίστοιχες καταστάσεις.

137 121 T [ C], P [mbar], Παροχή [kg/h] Τεισ. Παροχή P Υπολογισµένη µάζα Μετρηµένη µάζα Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] Εικόνα 4-62 Εφαρµογή του αντίστροφου υπολογισµού σε φόρτιση στον κινητήρα Η εφαρµογή του υπολογισµού σε νοµοθετηµένους κύκλους οδήγησης δίνει µέγιστο σφάλµα της τάξης του 1-15% για το αστικό τµήµα του κύκλου και 2-3% για το υπεραστικό τµήµα. Στην Εικόνα 4-63 παρατίθενται οι υπολογισµοί φόρτισης αιθάλης για κύκλους οδήγησης NEDC σε τρία επίπεδα φορτίσεων (α) καθαρό φίλτρο, (β) εκτιµώµενη µάζα 5 g και (γ) εκτιµώµενη µάζα 8 g. Ο υπολογισµός δείχνει µια µικρή αύξηση της µάζας στο αστικό τµήµα του κύκλου λόγω της συλλογής αιθάλης, όπως αναµένεται λόγω των χαµηλών θερµοκρασιών. Επιπλέον, ο υπολογισµός δείχνει µια µικρή πτώση της µάζας στο υπεραστικό τµήµα του κύκλου λόγω πιθανής παθητικής αναγέννησης. Να σηµειωθεί ότι σε αυτή την περίπτωση ο υπολογισµός δουλεύει καλύτερα από ότι κατά τη φόρτιση σε σταθερά σηµεία και αυτό συµβαίνει λόγω της συνεχούς µεταβατικής λειτουργίας του κινητήρα που διατηρεί την αιθάλη σε συµπιεσµένη κατάσταση. Συµπερασµατικά, θα µπορούσε να ειπωθεί ότι αναπτύχθηκε µια µεθοδολογία εύρεσης ενός αντίστροφου υπολογισµού µάζας αιθάλης από πειραµατικές µετρήσεις. Το µεγάλο πλεονέκτηµα αυτής της διαδικασίας είναι ότι µπορεί να εφαρµοστεί σε οποιοδήποτε φίλτρο αιθάλης και να δώσει τον αντίστοιχο υπολογισµό. Βέβαια, σε αυτό το αρχικό στάδιο ο αντίστροφος υπολογισµός δίνει ρεαλιστικές τιµές της µάζας αιθάλης, όµως είναι φανερή η ανάγκη για βελτίωση της ακρίβειάς του. Επίσης, όπως φάνηκε από την εφαρµογή του υπολογισµού για τις φορτίσεις στον κινητήρα είναι σηµαντικό να λαµβάνεται υπ όψη η κατάσταση της αιθάλης, κάτι που µπορεί να γίνει ίσως συµπεριλαµβάνοντας στον υπολογισµό την πυκνότητά της. Η βελτίωση του αντίστροφου υπολογισµού κρίνεται απαραίτητη σε µελλοντικές εργασίες που πιθανόν να ακολουθήσουν πάνω σε αυτό το θέµα.

138 122 mbar, C, kg/h, km/h Ταχύτητα Τεισ. Παροχή P Μάζα Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (α) mbar, C, kg/h, km/h Ταχύτητα Τεισ. Παροχή P Υπολογισµένη µάζα Εκτιµώµενη µάζα Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (β) mbar, C, kg/h, km/h Ταχύτητα Τεισ. Παροχή P Υπολογισµένη µάζα Εκτιµώµενη µάζα Μάζα αιθάλης [g] Χρόνος [s] (γ) Εικόνα 4-63 Εφαρµογή του αντίστροφου υπολογισµού στον κύκλο NEDC για καθαρό φίλτρο (α), φόρτιση 5 g (β), φόρτιση 8 g (γ)

139 Μείωση του διαφεύγοντος NO 2 Τα σύγχρονα οχήµατα diesel χρησιµοποιούν οξειδωτικούς καταλύτες και καταλυτικά φίλτρα αιθάλης για να πετύχουν τα πολύ χαµηλά σύγχρονα όρια εκποµπών CO, υδρογονανθράκων και σωµατιδίων. Ταυτόχρονα, λόγω της καταλυτικής οξείδωσης του ΝΟ αυξάνεται ο λόγος NO 2 /NOx στο καυσαέριο µε αποτέλεσµα οι συνολικές εκποµπές ΝΟ 2 των οχηµάτων να αυξάνονται συνεχώς τα τελευταία χρόνια. Οι επιπτώσεις των αυξηµένων εκποµπών του ΝΟ 2, το οποίο είναι πιο επικίνδυνο από το NO, συζητούνται συχνά σε δηµοσιευµένες εργασίες και ήδη έχουν αρχίσει να εµφανίζονται τα πρώτα νοµοθετηµένα όρια εκποµπών [9, 14-18]. Μια µέθοδος που µπορεί να έχει κάποιο αποτέλεσµα στη µείωση του λόγου NO 2 /NOx είναι η µεταβλητή συγκέντρωση καταλύτη. Στην περίπτωση του αφρού αυτό είναι πολύ εύκολο να γίνει χρησιµοποιώντας κοντά στην είσοδο φύλλα αφρού µε υψηλή συγκέντρωση καταλύτη και σταδιακά αυτή να µειώνεται προς την έξοδο, και αν χρειαστεί να χρησιµοποιηθεί και αφρός χωρίς καταλύτη. Αυτή η τεχνική βασίζεται στη λογική ότι κοντά στην είσοδο ο ισχυρός καταλύτης αφενός βοηθά στην οξείδωση του CO και των υδρογονανθράκων και αφετέρου αυξάνει τη συγκέντρωση του ΝΟ 2. Έτσι, στο µπροστινό τµήµα του φίλτρου που υπάρχει και περισσότερη συλλεγµένη µάζα, το ΝΟ 2 µπορεί να αντιδράσει ευκολότερα µε την αιθάλη σύµφωνα µε την παρακάτω αντίδραση και να µετατρέψει ένα µέρος του ΝΟ 2 σε NO. C+NO 2 -> CO+CO 2 +NO Στα φίλτρα µε σταθερή συγκέντρωση καταλύτη, το ΝΟ που παράγεται από την οξείδωση της αιθάλης µετατρέπεται ξανά σε ΝΟ 2. Αντίθετα, στα φίλτρα µεταβλητής συγκέντρωσης αυτό δεν συµβαίνει στον ίδιο βαθµό, επειδή κοντά στην έξοδο υπάρχει µικρότερη ή µηδενική ποσότητα πολύτιµων µετάλλων. Η επίδραση της µεταβλητής συγκέντρωσης καταλύτη στο λόγο NO 2 /NOx αναµένεται µόνο σε φορτισµένο φίλτρο και σε θερµοκρασίες πάνω από 3 C όπου πραγµατοποιείται µε ικανοποιητικό ρυθµό η οξείδωση της αιθάλης µε το NO 2. Στα διαγράµµατα που ακολουθούν παρατίθενται οι µετρήσεις του λόγου NO 2 /NOx στην είσοδο και στην έξοδο του φίλτρου κατά τις δοκιµές παθητικής αναγέννησης. Αρχικά, συγκρίνεται το πρωτότυπο 1 µε ένα κεραµικό φίλτρο αιθάλης SiC (3cpsi/12mils) για τις δοκιµές παθητικής αναγέννησης στα παρακάτω σηµεία λειτουργίας του κινητήρα DW RPM, 19 kg/h, 33 C, NO 2 /NOx=5-6%, NOx=2 ppm, NOx/αιθάλη=12 27 RPM, 21 kg/h, 4 C, NO 2 /NOx=5-6%, NOx=38 ppm NOx/αιθάλη=44 Το πρωτότυπο 1 (Εικόνα 4-37) έχει επίστρωση µε συγκέντρωση καταλύτη 2.5 g/l στις πρώτες στρώσεις µε αφρό 8 και 58 µm που είναι πιο κοντά στην είσοδο, αλλά το τελευταίο τµήµα µε µέγεθος πόρων 45 µm είναι µη καταλυτικό. Η συνολική ποσότητα πολύτιµων µετάλλων (Pt) στο φίλτρο είναι 4.6 g. Αντίστοιχα, το κεραµικό φίλτρο που

140 124 συγκρίνεται εδώ έχει οµοιόµορφη καταλυτική επίστρωση και ποσότητα Pt 6.25 g. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-64, ο λόγος NO 2 /NOx από 5-6% που είναι στην είσοδο και στις δύο περιπτώσεις, ανεβαίνει σηµαντικά στην έξοδο λόγω της καταλυτικής οξείδωσης του ΝΟ προς ΝΟ 2 µέσα στα φίλτρα. Παρατηρείται ότι παρόλο που η συνολική ποσότητα πολύτιµων µετάλλων είναι παρόµοια, η µεταβολή του NO2/NOx µε το κεραµικό φίλτρο είναι σαφώς µεγαλύτερη από ότι µε το πρωτότυπο 1. Στην πρώτη περίπτωση η αύξηση είναι 45.9 % για τους 33 C και 37.2 % για τους 4 C ενώ µε το φίλτρο αφρού είναι 29.5 και 13.5 % αντίστοιχα. Όλα αυτά είναι µια σαφής ένδειξη ότι η µεταβλητή συγκέντρωση καταλύτη µπορεί να βοηθήσει στη µείωση των εκποµπών ΝΟ 2. Ποσοστό % Καταλυτικό φίλτρο SiC (33 C) Καταλυτικό φίλτρο SiC (4 C) Πρωτότυπο 1 (33 C) Πρωτότυπο 1 (4 C) NO2/NOx στην είσοδο NO2/NOx στην έξοδο Ποσοστιαία µεταβολή (NO2/NOx) Εικόνα 4-64 Σύγκριση λόγου NO 2 /NOx (καταλυτική SiC-πρωτότυπο 1) Συνεχίζοντας, συγκρίνονται τα αντίστοιχα αποτελέσµατα µε τα πρωτότυπα 5 και 6 (Εικόνα 4-41 και Εικόνα 4-42). Το πρωτότυπο 5 έχει σχετικά χαµηλή συγκέντρωση καταλύτη σε όλες τις στρώσεις εκτός από τον αφρό µε µέγεθος πόρων 58 µm πίσω τµήµα. Στο πρωτότυπο 6 έγινε προσπάθεια να κατανεµηθεί καλύτερα η φόρτιση Pt έτσι ώστε να επιτευχθεί επαρκής καταλυτική απόδοση, αλλά ταυτόχρονα να µειωθεί το διαφεύγον ΝΟ 2. Οι πρώτες στρώσεις αφρού 8 µm έχουν πολύ υψηλή συγκέντρωση Pt 5 g/l, ενώ το υπόλοιπο φίλτρο έχει ελάχιστη συγκέντρωση καταλύτη µόλις.5 g/l. Οι δοκιµές παθητικής αναγέννησης έγιναν στον κινητήρα VW 1.9TDi στην ίδια θερµοκρασία καυσαερίου αλλά για µεγαλύτερο λόγο NO 2 /NOx και συγκέντρωση NOx, όπως φαίνεται και από τις συνθήκες των πειραµάτων. 27 RPM, 2 kg/h, 33 C, NO 2 /NOx=16-18%, NOx=46 ppm NOx/αιθάλη=16 27 RPM, 23 kg/h, 4 C, NO 2 /NOx=16-18%, NOx=8 ppm NOx/αιθάλη=27 Από τα αποτελέσµατα στην Εικόνα 4-65 προκύπτει πλεονέκτηµα του πρωτοτύπου 6, αφού αυξάνει σε µικρότερο βαθµό το λόγο NO 2 /NOx, ειδικότερα στους 33 C. Αυτό αποτελεί εξαιρετική συµπεριφορά λαµβάνοντας υπ όψη ότι το πρωτότυπο 6 έχει περίπου διπλάσια

141 125 ποσότητα πολύτιµων µετάλλων από το πρωτότυπο 5 (2.4 g σε σχέση µε το 5 g). Ο µικρότερος λόγος NO 2 /NOx δεν φαίνεται να έχει επίπτωση στην ικανότητα οξείδωσης της αιθάλης, όπως φαίνεται στην Εικόνα Το πρωτότυπο 6 επιδεικνύει µεγαλύτερη απώλεια µάζας για περίπου ίδια αρχική φόρτιση και στα δύο επίπεδα θερµοκρασίας. 7 6 Πρωτότυπο 5 (33 C) Πρωτότυπο 5 (4 C) 56.8 Πρωτότυπο 6 (33 C) Πρωτότυπο 6 (4 C) Ποσοστό % NO2/NOx στην είσοδο NO2/NOx στην έξοδο Ποσοστιαία µεταβολή (NO2/NOx) Εικόνα 4-65 Σύγκριση λόγου NO 2 /NOx (πρωτότυπο 5-πρωτότυπο 6) Πρωτότυπο 5 (33 C) Πρωτότυπο 5 (4 C) Πρωτότυπο 6 (33 C) Πρωτότυπο 6 (4 C) Μάζα αιθάλης [g] Αρχική µάζα [g] Τελική µάζα [g] m [g].8 1 Εικόνα 4-66 Σύγκριση µάζας αιθάλης (πρωτότυπο 5-πρωτότυπο 6) Καταλυτική απόδοση Η καταλυτική δράση αποτελεί πλέον σηµαντικό χαρακτηριστικό των φίλτρων αιθάλης, αφού πλέον τα περισσότερα που χρησιµοποιούνται στα σύγχρονα οχήµατα diesel έχουν

142 126 καταλυτική επίστρωση. Παρότι ο κύριος στόχος τους είναι η κατακράτηση της αιθάλης, η επίστρωση συνεισφέρει τόσο στην αποδοτικότερη παθητική αναγέννηση όσο και στην οξείδωση των αέριων ρύπων. Στα πλαίσια της εργασίας, έγινε πειραµατική αξιολόγηση της καταλυτικής απόδοσης των πρωτοτύπων 5 και 6 καθώς και των δύο κεραµικών φίλτρων ροής τοιχώµατος που περιγράφονται στην παράγραφο 4.2. Κατά τη διαδικασία χαρακτηρισµού της καταλυτικής απόδοσης, το προς µελέτη πρωτότυπο που βρίσκεται σε καθαρή κατάσταση, τοποθετείται στον κινητήρα κατάντη ενός φίλτρου ροής τοιχώµατος. Έτσι, εξασφαλίζεται ότι δεν θα συλλεχθεί αιθάλη κατά τη διάρκεια της δοκιµής για να αποφευχθεί η παθητική αναγέννηση που µπορεί να επηρεάσει τη συγκέντρωση του CO και του NO στην έξοδο του φίλτρου. Το πρωτόκολλο της µέτρησης είναι το παρακάτω. 1. Λειτουργία του κινητήρα σε διάφορα επίπεδα παροχών καυσαερίου (από 1 έως 4 RPM) σε σταθερή θερµοκρασία 4 C. 2. Ψύξη από τους 4 στους 12 C µε µικρή παροχή καυσαερίου, στις 15 RPM χωρίς φορτίο στον κινητήρα. 3. Βηµατική αύξηση του φορτίου και εποµένως της θερµοκρασίας καυσαερίου σε σταθερές στροφές περιστροφής του κινητήρα. Η µέτρηση γίνεται στις 15 RPM, για 1 λεπτά σε κάθε βήµα, µέχρι η θερµοκρασία να φτάσει τους 4 C. 4. Ψύξη από τους 4 στους 12 C στις 15 RPM χωρίς φορτίο στον κινητήρα. Επειδή δεν ήταν δυνατό να γίνεται ανάλυση καυσαερίου ταυτόχρονα σε δύο σηµεία, η δειγµατοληψία για κάθε σηµείο λειτουργίας γινόταν αρχικά στην έξοδο και στη συνέχεια στην είσοδο του φίλτρου. Η αλλαγή του σηµείου δειγµατοληψίας σηµειώνεται µε τα βέλη στην Εικόνα 4-67 (α) που αφορά µια δοκιµή στις 1 RPM µε το πρωτότυπο 6. Το βήµα 1 έχει στόχο τη µελέτη της επίδρασης της παροχής και συνεπώς της ταχύτητας καυσαερίου στο βαθµό µετατροπής. Εφόσον η θερµοκρασία είναι αρκετά υψηλή (4 C), ο ρυθµός των οξειδωτικών αντιδράσεων ελέγχεται µόνο από τη µεταφορά µάζας. Έτσι, µε τη σταδιακή αύξηση της παροχής καυσαερίου, µειώνεται ο χρόνος παραµονής του καυσαερίου στο φίλτρο επηρεάζοντας το βαθµό οξείδωσης των αέριων ρύπων. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-67 (β), ακόµα και σε πολύ µεγάλες χωρικές ταχύτητες η επίδραση στο βαθµό µετατροπής του CO είναι αµελητέα. Αρκετά καλή είναι και η συµπεριφορά στην περίπτωση των υδρογονανθράκων, αφού η µετατροπή τους δεν πέφτει κάτω από το 7% ακόµα και στη µέγιστη παροχή της δοκιµής. Τα βήµατα 2, 3 και 4 έχουν στόχο τον προσδιορισµό της θερµοκρασίας ενεργοποίησης (light off temperature). Αυτό µπορεί να προκύψει από τις καµπύλες του βαθµού µετατροπής σε σχέση µε τη θερµοκρασία εισόδου στο φίλτρο, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-67 (γ). Ο βαθµός οξείδωσης του CO και των υδρογονανθράκων αυξάνεται µε τη θερµοκρασία και προσεγγίζει µια υψηλή σταθερή τιµή. Παρατηρείται όµως ότι σε αντίθεση

143 127 µε το CO, η οξείδωση των υδρογονανθράκων δεν είναι πλήρης ακόµα και σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες. Μια πιθανή εξήγηση είναι το ότι κάποιοι από τους υδρογονάνθρακες του καυσαερίου έχουν αρκετά µεγάλα µόρια τα οποία και δεν είναι εύκολο να διαχυθούν µέσα στην επίστρωση και να έρθουν σε επαφή µε τα πολύτιµα µέταλλα. Αν οριστεί ως θερµοκρασία ενεργοποίησης το σηµείο στο οποίο η µετατροπή του CO ξεπερνά το 5%, τότε από την καµπύλη που αφορά την ψύξη, προκύπτει ότι ήδη από τους 15 C ο καταλύτης έχει ενεργοποιηθεί. Εντυπωσιακό µάλιστα είναι ότι ακόµα και στους 12 C που είναι η χαµηλότερη θερµοκρασία της δοκιµής, το συγκεκριµένο φίλτρο επιδεικνύει σηµαντική ικανότητα στη µείωση της συγκέντρωσης των υδρογονανθράκων στην έξοδο. Βέβαια αυτό είναι ένα συνδυασµένο φαινόµενο προσρόφησης και οξείδωσης. Στις χαµηλές θερµοκρασίες (έως 15 ) είναι πιθανό να προσροφώνται υδρογονάνθρακες και στη συνέχεια µε τη θέρµανση του φίλτρου και έτσι να µειώνεται η συγκέντρωσή τους. Στη συνέχεια, µε τη θέρµανση του φίλτρου γίνεται ταυτόχρονα εκρόφηση των προσροφηµένων υδρογονανθράκων και η οξείδωση τους όταν ενεργοποιηθεί ο καταλύτης. Σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να τονιστεί ότι η οξείδωση των αέριων ρύπων και κυρίως του CO επηρεάζεται από τη λεγόµενη παρεµπόδιση λόγω των προσροφηµένων υδρογονανθράκων. Αυτό σηµαίνει ότι στις περιοχές της επίστρωσης στις οποίες συµβαίνει η προσρόφηση, δυσχεραίνεται η επαφή των πολύτιµων µετάλλων µε τους αέριους ρύπους στο καυσαέριο. Αυτό σε συνδυασµό µε το διαφορετικό ρυθµό µεταβολής της θερµοκρασίας και εποµένως των θερµοκρασιακών διαφορών µέσα στο φίλτρο είναι οι κύριες αιτίες που οι καµπύλες µετατροπής είναι διαφορετικές κατά τη θέρµανση και την ψύξη. Η παρεµπόδιση είναι και ο λόγος για τον οποίο θα µπορούσε να θεωρήσει κάποιος πιο αξιόπιστη την καµπύλη που προκύπτει από την ψύξη, λόγω του ότι το φίλτρο ήταν σε υψηλή θερµοκρασία για αρκετό χρονικό διάστηµα και εποµένως η µέτρηση ξεκινά από καθαρή κατάσταση όσον αφορά τους προσροφηµένους υδρογονανθράκες. Όσον αφορά το NO, διακρίνονται τρεις περιοχές στην καµπύλη µετατροπής. Σε χαµηλές θερµοκρασίες (έως 2 C) παρατηρείται πολύ χαµηλός ή αρνητικός βαθµός µετατροπής. Αυτό οφείλεται αφενός στο ότι η θερµοκρασία είναι χαµηλή για να ξεκινήσει η οξείδωση του ΝΟ η οποία δεν πραγµατοποιείται εύκολα όσο υπάρχει ανταγωνισµός από το CO και τους υδρογονάνθρακες. Αφετέρου το NO 2 του καυσαερίου αντιδρά µε το CO ή τους υδρογονάνθρακες πριν ξεκινήσει η οξείδωση τους µε αποτέλεσµα την παραγωγή NO [9]. Στη συνέχεια, ο βαθµός οξείδωσης προς ΝΟ 2 αυξάνεται φτάνοντας τη µέγιστη τιµή του η οποία είναι 25% για θερµοκρασία περίπου 23 C. Από αυτό το σηµείο και σε υψηλότερες θερµοκρασίες, ξεκινά η διάσπαση του ΝΟ 2 προς NO λόγω θερµοδυναµικής ισορροπίας και ο βαθµός µετατροπής µειώνεται [57].

144 128 mbar, C, kg/h Τεισ. Τεξ. Παροχή CO NO HC NOx Θέρµανση Έξοδος Είσοδος Ψύξη CO, NO, NOx, HC [ppm] Χρόνος [s] (α) 1 9 Βαθµός µετατροπής % CO HC Χωρική ταχύτητα [1/h] (β) Βαθµός µετατροπής % CO θέρµανση 2 CO ψύξη NO θέρµανση 1 NO ψύξη HC θέρµανση HC ψύξη Θερµοκρασία [ C] (γ) Εικόνα 4-67 Πρωτόκολλο µέτρησης καταλυτικής απόδοσης (α), επίδραση της ταχύτητας στο βαθµό µετατροπής (β), καµπύλες βαθµού µετατροπής (γ)

145 129 Στην Εικόνα 4-68 (α) συγκρίνεται η επίδραση της παροχής καυσαερίου στο βαθµό µετατροπής του CO και των υδρογονανθράκων στα πρωτότυπα 5, 6 σε σχέση µε τα κεραµικά φίλτρα. Όπως φαίνεται, ο βαθµός οξείδωσης του CO παραµένει υψηλός, πάνω από 97 %, ακόµα και σε µεγάλες παροχές και για τα δύο πρωτότυπα δείχνοντας ότι ο αφρός τα καταφέρνει εξίσου καλά µε τα κεραµικά φίλτρα. Όσον αφορά τους υδρογονάνθρακες, η µετατροπή τους µειώνεται κάτω από το 75% για παροχές πάνω από 15 kg/h στην περίπτωση των δύο φίλτρων αφρού, ενώ αντίθετα τα κεραµικά φίλτρα διατηρούν τον υψηλό βαθµό οξείδωσης πάνω από το 85% σε όλες τις συνθήκες. Στην ίδια εικόνα περιλαµβάνεται και η σύγκριση της θερµοκρασίας ενεργοποίησης για το CO, NO και τους υδρογονάνθρακες. Η Εικόνα 4-68 (β) δείχνει τα αποτελέσµατα κατά την ψύξη και η Εικόνα 4-68 (γ) κατά τη θέρµανση και όπως περιµέναµε τα συµπεράσµατα είναι διαφορετικά. Σύµφωνα µε την ανάλυση που προηγήθηκε παραπάνω µπορεί να θεωρηθεί πιο αξιόπιστη η µέτρηση κατά την ψύξη, επειδή το φαινόµενο της παρεµπόδισης είναι πιο περιορισµένο. Σαν γενικότερη παρατήρηση, βλέποντας τα αποτελέσµατα και για τις δύο περιπτώσεις (ψύξη και θέρµανση) προκύπτει ότι τα πρωτότυπα από αφρό µπορούν να είναι ανταγωνιστικά µε δύο εµπορικά κεραµικά φίλτρα σε όλες τις περιπτώσεις. Ειδικότερα, εστιάζοντας περισσότερο στα αποτελέσµατα της µέτρησης κατά την ψύξη που θεωρούνται πιο έγκυρα, συµπεραίνεται ότι το πρωτότυπο 5 παρότι έχει τη µικρότερη ποσότητα πολύτιµων µετάλλων (µόλις 2.4 g), έχει συνολικά την καλύτερη απόδοση µεταξύ των τεσσάρων. Ο µόνος τοµέας στον οποίο υστερεί είναι η απόδοση στους υδρογονάνθρακες και αυτό µόνο έναντι του πρωτοτύπου 6, κάτι που µπορεί να οφείλεται στο ότι δεν έχει αρκετή ποσότητα επίστρωσης από ζεόλιθο που επηρεάζει την ικανότητα προσρόφησης. Σηµαντική είναι επίσης η καλή απόδοση στην οξείδωση του ΝΟ, κάτι µπορεί να βοηθήσει στην παθητική αναγέννηση.

146 CO Βαθµός µετατροπής % HC Πρωτότυπο 5 (CO) Πρωτότυπο 6 (CO) Φίλτρο SiC 2.5l (CO) Φίλτρο SiC 4l cat (CO) Πρωτότυπο 5 (HC) Πρωτότυπο 6 (HC) Φίλτρο SiC 2.5l (HC) Φίλτρο SiC 4l cat (HC) Παροχή καυσαερίου [m3/h] (α) Θερµοκρασία [ C], βαθµός µετατροπής % Φίλτρο SiC 2.5l Φίλτρο SiC 4l Πρωτότυπο 5 Πρωτότυπο T5% CO T5% HC T2% NO Μέγιστος βαθµός µετατροπής NO (β) Θερµοκρασία [ C], βαθµός µετατροπής % Φίλτρο SiC 2.5l Φίλτρο SiC 4l Πρωτότυπο 5 Πρωτότυπο T5% CO T5% HC T2% NO Μέγιστος βαθµός µετατροπής NO (γ) Εικόνα 4-68 Επίδραση της παροχής καυσαερίου στο βαθµό µετατροπής (α), θερµοκρασία ενεργοποίησης κατά την ψύξη (β), θερµοκρασία ενεργοποίησης κατά τη θέρµανση

147 Σύγκριση της απόδοσης των πρωτότυπων φίλτρων από αφρό Σε αυτή την παράγραφο γίνεται σύγκριση των αποτελεσµάτων της πειραµατικής διαδικασίας αξιολόγησης (που περιγράφεται στην παράγραφο ) για όλα τα πρωτότυπα. Αρχικά, παρατίθενται για λόγους αναφοράς όλα τα αποτελέσµατα σε συγκεντρωτικά διαγράµµατα. Επειδή όµως τα δεδοµένα είναι πάρα πολλά και το διάγραµµα γίνεται δυσανάγνωστο, στη συνέχεια γίνεται επιµέρους ανάλυση των συγκρίσεων. Η πτώση πίεσης σε σχέση µε τη φόρτιση παρουσιάζεται στην Εικόνα 4-69 για παροχή 9 kg/h σε θερµοκρασία 3 C. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η πτώση πίεσης σε αυτή την παροχή αναφέρεται πάντα σε συµπιεσµένη αιθάλη, δηλαδή, αµέσως µετά την επιτάχυνση στις 35 RPM (σύµφωνα µε το πρωτόκολλο φόρτισης). Αντίστοιχα, η Εικόνα 4-7 δείχνει την πτώση πίεσης για παροχή 23 kg/h σε θερµοκρασία 3 C. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων βαθµού απόδοσης διήθησης σε παροχή 9 kg/h και θερµοκρασία 3 C συγκεντρώνονται στην Εικόνα Οι µετρήσεις έγιναν για κάποια πρωτότυπα µε το SMPS και για άλλα µε το Smokemeter ανάλογα µε τη διαθεσιµότητα του εξοπλισµού. Η απόκλιση των δύο οργάνων µέτρησης, όπως είδαµε στην παράγραφο 4.3.3, είναι µικρή, αλλά για να γίνει σωστότερη σύγκριση χρησιµοποιήθηκε η συσχέτιση (Εικόνα 4-53) ώστε να αναχθούν όλες οι µετρήσεις σε όρους µάζας. Πτώση πίεσης [mbar] Πρωτότυπο 45 Πρωτότυπο 58 Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο 1 Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 3 Πρωτότυπο 4 Πρωτότυπο 5 Πρωτότυπο 6 Πρωτότυπο 7 Πρωτότυπο Φόρτιση [g/l] Εικόνα 4-69 Πτώση πίεσης σε σχέση µε τη φόρτιση (9 kg/h, 3 C)

148 Πρωτότυπο 45 Πρωτότυπο 58 Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο 1 Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 3 Πρωτότυπο 4 Πρωτότυπο 5 Πρωτότυπο 6 Πρωτότυπο 7 Πρωτότυπο 8 Πτώση πίεσης [mbar] Φόρτιση [g/l] Εικόνα 4-7 Πτώση πίεσης σε σχέση µε τη φόρτιση (23 kg/h, 3 C) 1 8 Βαθµός απόδοσης % Φόρτιση [g/l] Πρωτότυπο 45 Πρωτότυπο 58 Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο 1 Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 3 Πρωτότυπο 4 Πρωτότυπο 5 Πρωτότυπο 6 Πρωτότυπο 7 Πρωτότυπο 8 Εικόνα 4-71 Βαθµός απόδοσης σε σχέση µε τη φόρτιση (9 kg/h, 3 C) Η πτώση πίεσης των φίλτρων σταθερού πορώδους (45, 58 και 58 cat) είναι πολύ µεγαλύτερη από τα πρωτότυπα που έχουν µεταβλητό µεγέθους πόρων (πρωτότυπα 1, 2, 3), όπως αναµενόταν άλλωστε λόγω της περισσότερο οµοιόµορφης κατανοµής της αιθάλης. Μια τέτοια σύγκριση φίλτρων ακτινικής ροής βοηθά να διακριθούν καλύτερα οι διαφορές. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-72 (α), το P των φίλτρων σταθερού πορώδους στα 23 kg/h ξεπερνά τα 25 mbar φτάνοντας σε µη αποδεχτά επίπεδα σε σχετικά µικρή φόρτιση (2-4 g/l). Αντίθετα, το µεταβλητό µέγεθος πόρων επιτρέπει στα πρωτότυπα 1, 2 και 3 να φτάνουν σε υψηλές φορτίσεις χωρίς υπερβολική αύξηση της πτώσης πίεσης. Η σύγκριση του βαθµού απόδοσης στα ίδια φίλτρα δείχνει ότι τα πρωτότυπα µεταβλητού µεγέθους πόρων έχουν µικρότερη δυνατότητα κατακράτησης σωµατιδίων. Αυτό

149 133 αναδεικνύει την αντιστάθµιση (trade off) του πλεονεκτήµατος του µειωµένου P από την αντίστοιχη µείωση του βαθµού απόδοσης. Συνολικά, την καλύτερη συµπεριφορά έχει το πρωτότυπο 3 που δείχνει να συµβιβάζει τις επιπτώσεις της χρήσης µεταβλητού πορώδους και να επιδεικνύει αποδεχτή πτώση πίεσης σε µεγάλες φορτίσεις µε ταυτόχρονη µικρή µείωση του βαθµού απόδοσης σε σχέση µε τα φίλτρα σταθερού µεγέθους πόρων. 5 4 Πτώση πίεσης [mbar] Πρωτότυπο 45 Πρωτότυπο 1 Πρωτότυπο 58 Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο Φόρτιση [g/l] (α) 1 Βαθµός απόδοσης % Πρωτότυπο 45 Πρωτότυπο 1 Πρωτότυπο 58 Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο Φόρτιση [g/l] (β) Εικόνα 4-72 Σύγκριση σταθερού-µεταβλητού πορώδους (α) P, (β) βαθµός απόδοσης Σε αυτό το σηµείο, θα σχολιαστεί η επίδραση της διαµόρφωσης ροής καυσαερίου στην πτώση πίεσης και το βαθµό απόδοσης των φίλτρων. Για αυτό το σκοπό επιλέχθηκε το πρωτότυπο 2 (ακτινικής ροής από µέσα προς τα έξω), το πρωτότυπο 3 (ακτινικής ροής από έξω προς τα µέσα), το πρωτότυπο 6 (σταυρωτής ροής µε διάφραγµα στα 2/3 του µήκους), το πρωτότυπο 7 (σταυρωτής ροής µε διάφραγµα στο 1/2 του µήκους) και το πρωτότυπο 8 (διπλής ακτινικής ροής). Παρατηρώντας τα συγκριτικά διαγράµµατα στην Εικόνα 4-73 (α) και (β), διαπιστώνεται ότι και εδώ το P και ο βαθµός απόδοσης έχουν την ίδια τάση για όλες τις διαµορφώσεις. Τα πρωτότυπα 2 και 8 που ξεχωρίζουν για τη

150 134 χαµηλότερη αντίθλιψη, εµφανίζουν ταυτόχρονα και µικρότερη απόδοση κατακράτησης σωµατιδίων. Πτώση πίεσης [mbar] Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 3 Πρωτότυπο 6 Πρωτότυπο 7 Πρωτότυπο Φόρτιση [g/l] (α) 1 8 Βαθµός απόδοσης % 6 4 Πρωτότυπο 2 Πρωτότυπο 3 2 Πρωτότυπο 6 Πρωτότυπο 7 Πρωτότυπο Φόρτιση [g/l] (β) Εικόνα 4-73 Σύγκριση διαφορετικών διαµορφώσεων ροής (α) P, (β) βαθµός απόδοσης Ένα άλλο χρήσιµο συµπέρασµα που προκύπτει παρατηρώντας το βαθµό απόδοσης του πρωτοτύπου 6, είναι ότι η διαµόρφωσης σταυρωτής ροής δείχνει να µπορεί να καλύψει ένα µέρος του χαµηλού βαθµού απόδοσης που εµφανίζει η ακτινική ροή σε καθαρή κατάσταση και µικρές φορτίσεις έως 1 g/l (πρωτότυπο 3). Συνεχίζοντας τη σύγκριση αυτών των δύο διαµορφώσεων, είναι εντυπωσιακό το ότι τα φίλτρα σταυρωτής ροής µπορούν να επιτύχουν πολύ υψηλούς βαθµούς απόδοσης που προσεγγίζουν το 99% µε ελαφρώς χαµηλότερα επίπεδα πτώσης πίεσης. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το πρωτότυπο 8 το οποίο παρόλο που χρησιµοποιεί αφρό σταθερού µεγέθους πόρων 58 µm, λόγω της µεγαλύτερης επιφάνειας διήθησης στη διαµόρφωση διπλής ακτινικής ροής, έχει σηµαντικά χαµηλότερη πτώση πίεσης σε σχέση µε τα άλλα πρωτότυπα. Ταυτόχρονα, ο βαθµός απόδοσης είναι χαµηλότερος σε

151 135 σχέση µε τις άλλες διαµορφώσεις, όµως η διαφορά στο P είναι τόσο µεγάλη που επιτρέπει τη χρήση πυκνότερου αφρού. Έτσι, κρίνεται απαραίτητη η κατασκευή και δοκιµή ενός τέτοιου τύπου φίλτρου µε αφρό µεγέθους πόρων 45 µm ή και µικρότερο. Με αυτόν τον τρόπο είναι πιθανό να καλυφθεί η απόσταση του βαθµού απόδοσης (15-2%) σε σχέση µε τα άλλα φίλτρα, αλλά µε µικρότερο κόστος στο P από ότι θα συνέβαινε σε άλλες διαµορφώσεις. Όπως φάνηκε από τις παραπάνω συγκρίσεις των πρωτοτύπων, είναι σηµαντικό το πρόβληµα του συµβιβασµού (trade off) της πτώσης πίεσης µε το βαθµό απόδοσης διήθησης. Επίσης, κρίσιµη είναι και η µέγιστη φόρτιση αιθάλης για ασφαλή αναγέννηση σε όλες τις περιπτώσεις. Μια συνολική αξιολόγηση συνδέοντας όλες τις παραµέτρους, θα έδινε καλύτερη εικόνα της συµπεριφοράς των πρωτότυπων φίλτρων αφρού. Η Εικόνα 4-74 δείχνει µια τέτοια σύγκριση συσχετίζοντας το βαθµό απόδοσης σε καθαρή κατάσταση και σε φόρτιση για την οποία το P δεν ξεπερνά το όριο των 3 mbar σε παροχή καυσαερίου 23 kg/h και θερµοκρασία 3 C. Σύµφωνα µε τη διερεύνηση που έγινε (παράγραφος 4.3.5), µπορεί να θεωρηθεί ότι το µέγιστο όριο φόρτισης για ασφαλή αναγέννηση είναι τα 12 g/l. Συνοψίζοντας, ο στόχος του σχεδιασµού θα πρέπει να είναι η πράσινη περιοχή στην οποία το φίλτρο έχει υψηλό βαθµό απόδοσης τόσο σε καθαρή όσο και σε φορτισµένη κατάσταση. Ταυτόχρονα βέβαια, θα πρέπει να επιτυγχάνεται µεγάλη χωρητικότητα σε αιθάλη διασφαλίζοντας χαµηλή πτώση πίεσης και ασφαλή αναγέννηση. Παρατηρείται ότι τα φίλτρα σταθερού µεγέθους πόρων (45, 58) βρίσκονται µακριά από το στόχο στην επάνω αριστερά περιοχή του διαγράµµατος. Η καταλυτική επίστρωση βελτιώνει σαφώς τη θέση του φίλτρου 58 cat αυξάνοντας το µέγιστο αποδεχτό όριο φόρτισης από 4 σε 5.5 g/l. Παρατηρείται επίσης ότι το µειονέκτηµα των φίλτρων ακτινικής ροής όπως το πρωτότυπο 1 και 3 (για το πρωτότυπο 2 δεν υπάρχουν τα αντίστοιχα στοιχεία) είναι ο µικρός βαθµός απόδοσης του σε καθαρή κατάσταση και ο σχετικά χαµηλότερος µέγιστος βαθµός σε φορτισµένη κατάσταση. Το ίδιο συµβαίνει και µε το πρωτότυπο 8 που είναι διπλής ακτινικής ροής το οποίο όµως λόγω της µεγάλης επιφάνειας διήθησης επιδεικνύει χαµηλή πτώση πίεσης και έτσι πολύ µεγάλο όριο αποδεχτής φόρτισης που φτάνει τα 11 g/l. Από τα φίλτρα σταυρωτής ροής το πρωτότυπο 5 έχει µέγιστο όριο τα 6 g/l και βρίσκεται αρκετά µακριά από την περιοχή στόχο, αν και επιδεικνύει τους υψηλότερους βαθµούς απόδοσης τόσο σε καθαρή όσο και σε φορτισµένη κατάσταση. Τα πρωτότυπα 5 και 7 εµφανίζουν σχεδόν ίδια συµπεριφορά δείχνοντας ίσως τη µικρή επίδραση της θέσης του διαφράγµατος σε αυτές τις συνθήκες αξιολόγησης των φίλτρων. Το πρωτότυπο 4 βρίσκεται πολύ κοντά στην περιοχή στόχο µε πολύ υψηλό βαθµό σε καθαρή κατάσταση έχοντας όµως το µειονέκτηµα ότι ο µέγιστος βαθµός απόδοσης δεν ξεπερνά το 9%. Συµπεραίνεται ότι η διαµόρφωση σταυρωτής ροής πλεονεκτεί έναντι της ακτινικής ροής κυρίως λόγω του µεγαλύτερου αρχικού βαθµού απόδοσης. Αυτό που παρατηρείται συνολικά είναι ο συµβιβασµός βαθµού απόδοσης και πτώσης πίεσης και ότι ανάλογα µε τις απαιτήσεις µπορεί να χρησιµοποιηθεί ο ανάλογος τύπος φίλτρου. Σε µια εφαρµογή που απαιτεί πολύ µεγάλη χωρητικότητα αιθάλης (όπως στις εφαρµογές χωρίς σύστηµα ενεργητικής αναγέννησης όπου τα φίλτρα αποσυναρµολογούνται και καθαρίζονται όταν φτάσουν κάποιο όριο φόρτισης) θα

152 136 µπορούσε να χρησιµοποιηθεί ένα φίλτρο διπλής ακτινικής ροής. Όταν είναι απαραίτητος υψηλός βαθµός απόδοσης σε καθαρή κατάσταση τότε η επιλογή που πρέπει να γίνει είναι ένα φίλτρο σταυρωτής ροής. 1 Στόχος 8 Βαθµός απόδοσης % Πρωτότυπο 45 Πρωτότυπο 58 Πρωτότυπο 58 cat Πρωτότυπο 1 Πρωτότυπο 3 Πρωτότυπο 4 Πρωτότυπο 5 Πρωτότυπο 6 Πρωτότυπο 7 Πρωτότυπο 8 Μη ασφαλής φόρτιση για αναγέννηση Αποδεχτό όριο φόρτισης [g/l] ( 23 kg/h < 3 mbar) Εικόνα 4-74 Συσχέτιση του βαθµού απόδοσης σε καθαρή και φορτισµένη κατάσταση µε το µέγιστο αποδεχτό όριο φόρτισης Σε αυτό το σηµείο είναι χρήσιµο να γίνει µια άµεση σύγκριση των πρωτοτύπων αφρού µε καταλυτικά κεραµικά φίλτρα ροής τοιχώµατος. Επιλέχθηκε ένα φίλτρο ακτινικής ροής, το πρωτότυπο 3 και ένα σταυρωτής ροής, το πρωτότυπο 6. Η σύγκριση γίνεται µε τα δύο κεραµικά φίλτρα που περιγράφονται παραπάνω. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4-75 (α), για τα 9 kg/h, 3 C και τα 23 kg/h, 3 C η πτώση πίεσης στη χαµηλή παροχή είναι συγκρίσιµη, αλλά στη µεγάλη παροχή τα κεραµικά φίλτρα υπερτερούν ξεκάθαρα. Επιπλέον, ο βαθµός απόδοσης των κεραµικών φίλτρων, όπως αυτός προκύπτει από την Εικόνα 4-75 (β), ξεκινά από πολύ υψηλές τιµές, περίπου 9 % και πολύ γρήγορα προτού η φόρτιση φτάσει τo 1 g/l έχει σταθεροποιηθεί στο 1 %. Αντίθετα, η απόδοση των πρωτοτύπων αφρού ξεκινά από πολύ χαµηλότερα επίπεδα και είναι συγκρίσιµη µόνο σε µεγαλύτερες φορτίσεις. Με στόχο τη σύγκριση της απόδοσης στις δοκιµές παθητικής αναγέννησης επιλέχθηκε το πρωτότυπο 1 για το οποίο υπήρχαν περισσότερα διαθέσιµα πειραµατικά δεδοµένα. Στην Εικόνα 4-75 (γ) συγκρίνεται η απόδοση των κεραµικών φίλτρων και του πρωτότυπου 1, σε τρία επίπεδα θερµοκρασιών καυσαερίου. Ο ειδικός ρυθµός οξείδωσης εκφράζει την ποσότητα της αιθάλης που οξειδώνεται στη µονάδα του χρόνου ανά µονάδα αρχικής µάζας σε grams/(hour x αρχικά grams). Ο ρυθµός είναι µεγαλύτερος για το πρωτότυπο 1 και στις τρεις περιπτώσεις. Προφανώς, ο µηχανισµός διήθησης βάθους και η µεγάλη ειδική επιφάνεια του αφρού ευνοεί την επαφή του