Λειτουργία καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων στο καυσαέριο βενζινοκινητήρων
Authors: Μητσουρίδης Μιχαήλ 
Published: November 2021

Η τεχνολογία του σωματιδιακού φίλτρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί με σκοπό τη μείωση των σωματιδιακών εκπομπών σε βενζινοκινητήρες. Η εμπειρία η οποία αποκτήθηκε από την επί δεκαετίες μελέτη και χρήση σωματιδιακών φίλτρων για πετρελαιοκινητήρες (DPFs), απέδειξε ότι η μαθηματική μοντελοποίηση των μηχανισμών φιλτραρίσματος, μεταφοράς και αντιδράσεων, μπορεί να διευκολύνει την εις βάθος κατανόηση και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και ελέγχου ενός συστήματος αντιρρύπανσης.Παρά το γεγονός ότι το σωματιδιακό φίλτρο για βενζινοκινητήρες (GPF), το οποίο ξεκίνησε να χρησιμοποιείται τα τελευταία χρόνια, βασίζεται στις ίδιες βασικές αρχές φιλτραρίσματος και αντιδράσεων, υπόκειται σε πολύ διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας από ότι ένα DPF. Λόγω των πολύ χαμηλότερων σωματιδιακών εκπομπών ενός κινητήρα βενζίνης σε σύγκριση με έναν πετρελαιοκινητήρα, οι μηχανισμοί διήθησης βαθιάς κλίνης μέσα στο τοίχωμα, αποκτούν εξαιρετική σημασία. Οι συνθήκες αναγέννησης του GPF είναι επίσης εγγενώς διαφορετικές και ικανοποιούνται κατά βάση μόνο όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι αρκούντως υψηλή, κατά τη διάρκεια των περιοχών διακοπής της παροχής καυσίμου, όπου υπάρχει υψηλή διαθεσιμότητα Ο2. Επιπρόσθετα, η καταλυτική επίστρωση στην περίπτωση ενός καταλυτικού GPF (cGPF), μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση φιλτραρίσματος, την πτώση πίεσης και τη διαδικασία αναγέννησής του. Ως αποτέλεσμα, υπήρχε η ανάγκη μελέτης όλων των πτυχών της λειτουργίας του (c)GPF, σχεδόν από την αρχή. Σε αυτήν την εργασία παρουσιάζεται μια συστηματική πειραματική και υπολογιστική μεθοδολογία μοντελοποίησης, με στόχο την εις βάθος κατανόηση, την ποσοτικοποίηση και την εξήγηση των υποκείμενων μηχανισμών οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε ένα cGPF, καθώς και των αλληλεπιδράσεων των λειτουργιών GPF και TWC.Αρχικά παρουσιάζονται οι αέριες και στερεές εκπομπές ενός κινητήρα βενζίνης, τα σχετικά νομοθετημένα όρια, καθώς και οι θεμελιώδεις αρχές οι οποίες διέπουν τη λειτουργία των καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι μηχανισμοί φιλτραρίσματος και πτώσης πίεσης οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε ένα GPF σε αφόρτιστη και σωματιδιακά φορτισμένη κατάσταση, καθώς και οι μαθηματικές εξισώσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίησή του. Έμφαση δίνεται στην κατανομή της ροής κατά μήκος των καναλιών εισόδου, εξόδου, καθώς και διαμέσου του τοιχώματος ενός αφόρτιστου ή σωματιδιακά φορτισμένου φίλτρου.Στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση της θερμοκρασίας, της παροχής μάζας, της πυκνότητας των σωματιδίων, της δομής των καναλιών, της μικρο-δομής του τοιχώματος, της καταλυτικής επίστρωσης και της σωματιδιακής φόρτισης στην απόδοση φιλτραρίσματος και στην πτώση πίεσης, βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων δεκατριών διαφορετικών καταλυτικών και μη GPFs. Η επίπτωση μιας μη ομοιόμορφης αξονικής κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην αξονική κατανομή της ροής και συνεπακόλουθα στην αξονική κατανομή της αιθάλης, εξετάζεται υπολογιστικά και επαληθεύεται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων της αξονικής σωματιδιακής συσσώρευσης. Έχοντας ρυθμίσει τις παραμέτρους διήθησης και διαπερατότητας ενός σημαντικού αριθμού υποστρωμάτων, προέκυψαν συσχετίσεις μεταξύ αυτών των παραμέτρων και της τοπικής ποσότητας καταλυτικής επίστρωσης του τοιχώματος. Τέτοιες συσχετίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προγνωστικά εργαλεία, με σκοπό τη μείωση του σχετικού χρόνου και κόστους σχεδιασμού και ανάπτυξης συστημάτων αντιρρύπανσης.Στην περίπτωση καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων, οι μηχανισμοί των αντιδράσεων στο τοίχωμα επηρεάζονται από τους μηχανισμούς διάχυσης. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, παρουσιάζεται η καταλυτική δραστικότητα και οι περιορισμοί εσωτερικής διάχυσης δύο cGPFs και διερευνώνται οι αλληλεπιδράσεις οι οποίες πηγάζουν από την ενσωμάτωση των λειτουργιών TWC και GPF σε μοναδικό μονόλιθο. Αρχικά καταγράφονται οι καταλυτικές αντιδράσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα και ακολουθούν τα στοχευμένα πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό, τη ρύθμιση και την πιστοποίηση των σχετικών μηχανισμών. Η επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην αξονική διεύθυνση και της σωματιδιακής συσσώρευσης στη μετατροπή των αερίων ρύπων, αξιολογείται μέσα από δύο υπολογιστικές διερευνήσεις.Όσον αφορά στην αναγέννηση του GPF, αναγνωρίζονται και συζητούνται όλοι οι πιθανοί (με O2, NO2, H2O και CO2) μηχανισμοί οξείδωσης της αιθάλης. Στη συνέχεια μελετάται η επίδραση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης Ο2 στην οξείδωση της αιθάλης, καθώς και η σχετική διαδικασία παραμετροποίησης. Υπογραμμίζεται επίσης η καταλυτική επίδραση των μη ανθρακούχων συστατικών τέφρας στην οξείδωση της αιθάλης, καθώς και η αυξημένη σημασία αυτής για εφαρμογές βενζίνης έναντι εφαρμογών πετρελαίου.Τελικά, τα μοντέλα οξείδωσης αιθάλης, φιλτραρίσματος σωματιδίων, πτώσης πίεσης, αντιδράσεων TWC και διάχυσης αερίων στοιχείων πιστοποιούνται υπό τις έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες κύκλων οδήγησης, στους οποίους λαμβάνει ταυτόχρονα χώρα σωματιδιακή φόρτιση και οξείδωση αιθάλης. Χρησιμοποιώντας πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα, αναλύεται η επίδραση που έχει η τοποθέτηση του φίλτρου στην εξάτμιση (υποδαπέδια (Under-Floor, UF) ή κοντά στον κινητήρα (Close-Coupled, CC)) στην ικανότητα αναγέννησης και στην απόδοση φιλτραρίσματός του. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται υπολογιστική διερεύνηση αναφορικά με το ενδεχόμενο πιο αργής αναγέννησης ενός καταλυτικού έναντι ενός μη καταλυτικού GPF όμοιων χαρακτηριστικών, εξαιτίας του μηχανισμού της εμπρόσθιας διάχυσης O2 από το σχηματισμένο στρώμα αιθάλης προς το καταλυτικό τοίχωμα.Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, πέρα από μη καταλυτικά και συμβατικά επικαλυμμένα τοιχώματα, μελετάται και η απόδοση μιας καινοτόμου τεχνολογίας, στην οποία το μεγαλύτερο τμήμα της καταλυτικής επίστρωσης είναι τοποθετημένο πάνω στην επιφάνεια του τοιχώματος. Συγκρίνοντας αυτήν την τεχνολογία με συμβατικά GPFs ίδιας γεωμετρίας και δομής καναλιών υπό σταθερές αλλά και έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες, καθίσταται εμφανής η υψηλή απόδοση φιλτραρίσματος και η ταυτόχρονα πολύ χαμηλή πτώση πίεσής της.Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση της συσσώρευσης τέφρας και των σχετικών τρόπων εναπόθεσής της (τέφρα τοιχώματος, στρώματος και βύσματος) στην απόδοση ενός σωματιδιακού φίλτρου, αξιοποιώντας τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά αποτελέσματα. Αρχικά παρουσιάζονται οι φυσικοί μηχανισμοί οι οποίοι λαμβάνουν χώρα, μαζί με τα μαθηματικά μοντέλα τα οποία αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη της συσσώρευσης, συσσωμάτωσης και μεταφοράς τέφρας. Έπειτα, τα μοντέλα ρυθμίζονται βάσει πειραματικών δεδομένων πτώσης πίεσης, φιλτραρίσματος και μήκους τέφρας βύσματος. Τέλος, διενεργούνται δύο υπολογιστικές διερευνήσεις, προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση της κατανομής της τέφρας ως προς την ικανότητα μετατροπής των αερίων ρύπων και ως προς τη μέγιστη αποδεκτή φόρτιση του τοιχώματος με αιθάλη (Soot Mass Limit, SML).Δεδομένης της πολυπλοκότητας και του απαιτούμενου χρόνου και κόστους για την πραγματοποίηση πειραματικών μελετών, υπογραμμίζεται η μεγάλη σημασία της ανάπτυξης και χρήσης σχετικών μαθηματικών μοντέλων. Στην προκειμένη περίπτωση, όλα τα αποτελέσματα της εργασίας υποστηρίχθηκαν από τα μαθηματικά μοντέλα των εμπορικών λογισμικών axisuite® και exothermia-suite®.