Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση των μηχανισμών θερμικής καταστροφής φίλτρων αιθάλης
Creators: name: Χαραλάμπους, Ονούφριος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2005
Subjects: Φίλτρο αιθάλης
Καταλυτικό τοίχωμα
Diesel particulate filter
Catalyzed wall

description: Η παρούσα εργασία αποτελεί συνέχεια µια σειράς διατριβών που εκπονήθηκαν στο (Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής) ΕΕΘ στην περιοχή της τεχνολογίας των παγίδων αιθάλης για κινητήρες Diesel. Στην εργασία αυτή εξετάζονται οι µηχανισµοί θερµικής καταπόνησης των κεραµικών φίλτρων αιθάλης κατά τη φάση της αναγέννησης. Ως κύριο εργαλείο χρησιµοποιείται ένα µαθηµατικό µοντέλο προσοµοίωσης της μεταβατικής λειτουργίας φίλτρων αιθάλης που είχε αναπτυχθεί στο ΕΕΘ. Το µοντέλο αυτό εξελίχθηκε στα πλαίσια τις εργασίες και ενσωµάτωσε τις παρακάτω καινοτοµίες: • Επέκταση του υπολογιστικού µοντέλου από µία σε δύο και στη συνέχεια σε τρεις διαστάσεις. • Υπολογισµός του χρονικά µεταβαλλόµενου ροϊκού πεδίου στην είσοδο. • Εισαγωγή καταλυτικών αντιδράσεων για την προσοµοίωση φίλτρων µε καταλυτική επίστρωση. • Υπολογισµός φαινοµένων µεταφοράς µάζας διαµέσου του τοιχώµατος και τη σωµατιδιακής στρώσης. • Εισαγωγή µίας επιπλέον διάστασης διακριτοποίησης διαµέσου του τοιχώµατος για τη µελέτη «διαστρωµατικών» κλίσεων θερµοκρασίας και συγκεντρώσεων. Αρχικά το εξελιγµένο µαθηµατικό µοντέλο επαληθεύτηκε χρησιµοποιώντας πειραµατικά δεδοµένα, τα οποία αποκτήθηκαν µε διεξαγωγή εργαστηριακών µετρήσεων στο ΕΕΘ. Παράλληλα, όπου αυτό κρίθηκε απαραίτητο, αξιοποιήθηκαν στοχευµένες μετρήσεις που παραχωρήθηκαν στο ΕΕΘ στα πλαίσια βιοµηχανικών συνεργασιών. Στη συνέχεια το µαθηµατικό µοντέλο αξιοποιήθηκε στη µελέτη των τριών επικρατέστερων σήµερα τεχνικών αναγέννησης: • Θερµική αναγέννηση (χωρίς καταλυτική υποστήριξη) • Αναγέννηση µε καταλυτικό πρόσθετο καυσίµου • Αναγέννηση σε καταλυτικά επικαλυµµένα φίλτρα κύριος στόχος της µελέτης ήταν η κατανόηση των µηχανισµών θερµικής καταστροφής των φίλτρων αιθάλης σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας. ∆ιαπιστώθηκε πειραµατικά ότι υπό συγκεκριµένες συνθήκες λειτουργίας είναι πιθανή η ανάπτυξη υψηλών θερµοκρασιών και έντονα ανοµοιόµορφων θερµοκρασιακών πεδίων, που δύνανται να προκαλέσουν αστοχία του υλικού. Αποδείχθηκε, ότι µετά τις απαραίτητες εξελίξεις, το μαθηµατικό µοντέλο είναι σε θέση να προβλέπει µε ακρίβεια τα µεταβατικά θερµοκρασιακά πεδία κατά τη διάρκεια της αναγέννησης σε ένα µεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας. Ο µηχανισµός αστοχίας µπορεί να είναι τοπική τήξη ή ανάπτυξη ρωγµών και εξαρτάται µεταξύ άλλων και από το υλικό. Η υπολογιστική και πειραµατική διερεύνηση κάλυψε τα δύο επικρατέστερα σήµερα υλικά κατασκευής φίλτρων (κορδιερίτης και καρβίδιο του πυριτίου - SiC). Το φαινόµενο ανάπτυξης θερµικών τάσεων λόγω του θερµοκρασιακού πεδίου αναλύθηκε περαιτέρω µε τη διασύνδεση του µοντέλου προσοµοίωσης µε λογισµικό ανάλυσης µηχανικών τάσεων. Τόσο µε βάση ενδεικτικά αποτελέσµατα όσο και µε βάση τις θεωρητικές προβλέψεις, κατεδείχθη η συσχέτιση µεταξύ θερµοκρασιακών κλίσεων και θερµικών τάσεων. Τέλος διαθέτοντας ένα αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης του µεταβατικού τρισδιάστατου θερµοκρασιακού πεδίου, διερευνήθηκε η επίδραση των σηµαντικότερων σχεδιαστικών και λειτουργικών παραµέτρων που επηρεάζουν τη θερµική καταπόνηση του φίλτρου. Η αξιολόγηση έγινε µε βάση τη µέγιστη αναπτυσσόµενη θερµοκρασία και τις θερµοκρασιακές κλίσεις. Οι πρωτοτυπίες της παρούσας εργασίας συνοψίζονται στα παρακάτω σηµεία: • Υπολογισµός της χρονικά µεταβαλλόµενης τρισδιάστατης κατανοµής της ροής στην είσοδο της παγίδας. • Προϋπολογισµός και πειραµατική επαλήθευση του τρισδιάστατου θερµοκρασιακού πεδίου µέσα στο φίλτρο, λαµβάνοντας υπόψη την επίδραση των «ασυνεχειών» στην περιοχή του συγκολλητικού τσιµέντου. • Εξέλιξη του µαθηµατικού µοντέλου της αναγέννησης του φίλτρου µε προσθήκη του φαινοµένου της µεταφοράς µάζας. Τα φαινόµενα µεταφοράς µάζας στην παγίδα αιθάλης αναγνωρίστηκαν και προσοµοιώθηκαν για πρώτη φορά διεθνώς, αποδεικνύοντας ότι η συνεισφορά τους στη διάρκεια µη ελεγχόµενων αναγεννήσεων είναι καθοριστική. • Ανάπτυξη µοντέλου αναγέννησης φίλτρου µε καταλυτική επίστρωση, το οποίο περιγράφει τα συνδυασµένα φαινόµενα µεταφοράς µάζας-χηµικών αντιδράσεων στα κανάλια και στο καταλυτικό τοίχωµα.
description: The present thesis is the latest study of the Laboratory of Applied Thermodynamics (LAT) in its long research activity in the field of Diesel Particulate Filters (DPF). It includes a new advanced DPF model and an investigation of the thermal strain mechanisms during the regeneration phase. The main tool used in the study is a mathematical model for the transient simulation of DPF, already developed in LAT. This model was extended in the frame of this thesis to include the following innovations: • Extension of the model from 1D to 2D and later to 3D. • Computation of the temporally variable flow field at the filter entrance. • Introduction of the catalytic reactions for the simulation of catalyzed filters. • Computation of the mass transfer phenomena through the filter wall and the soot layer. • Addition of an additional discretization dimension across the wall for the study of intra-layer concentration and temperature gradients. Initially the extended mathematical model was validated against a set of experimental data obtained with laboratory measurements in LAT. In the framework of industrial collaborations additional measurements were supplied to LAT specially designed for model validation . Next the model was used to study the three most common nowadays regeneration techniques: • Thermal regeneration (without any catalytic support). • Regeneration with fuel borne additive.• Regeneration of catalyzed filters. The main objective of the thesis is the understanding of mechanisms of DPF thermal failure in real-life conditions. It has been experimentally determined, that under specific operational conditions, it is possible to have high temperatures and strongly non-uniform temperature fields, which can cause failure of the material. After the necessary evolvement, of the model proved capable of predicting accurately the transient temperature field during the regeneration in a side range of operating conditions. The failure mechanism can either be local melting or crack growth and it depends amongst others on the filter material. It is worth mentioning that this study covered the two most common filter materials (cordierite and SiC). The phenomenon of thermal stresses development due to the temperature field was further analyzed with the coupling of the simulation model with stress analysis software. This enabled the understanding of the correlation between thermal stresses and temperature gradients, both with indicative numerical results and analytical expressions. Finally having established the reliability of the model in the prediction of transient 3D temperature field, it was utilized as a tool to investigate the impact of the most important design and operational parameters on the thermal strain of the filter. The evaluation was based on the criteria of maximum temperature and temperature gradients. The novelties of the present study are summarized in the following points: • Computation of the temporally variable 3D flow distribution at the filter inlet. • Prediction and experimental validation of the 3D temperature field inside the filter, taking into account the “discontinuities” at the region of cohesive cement. • Evolution of the mathematical model of DPF regeneration with the addition of the mass transfer phenomena. The mass transfer phenomena in the DPF where identified and simulated for the first time, proving that their contribution during uncontrolled regenerations is determinant. • Development of a regeneration model for the catalyzed filters, which described the coupled mass transfer-chemical reaction phenomena inside the channels and the catalyzed wall.