Mathematical Methods for Design of Zone Structured Catalysts and Optimization of Inlet Trajectories in Selective Catalytic Reduction (SCR) and Three Way Catalyst (TWC)
Creators: name: Kannepalli, Sivaram
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Mathematical modeling
Optimization
Catalytic converters
TWC
DOC
SCR
Ammonia dosing
PGM loading
Aging

description: Abgaskatalysatoren zählen zu den wichtigsten Maßnahmen, um Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren zu vermindern. Mit der stetigen Verschärfung der Emissionsstandards nahm über die Jahre der Forschungsbedarf zu Abgasnachbehandlungssystemen signifikant zu. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Lösung von Optimierungsproblemen im Bereich der Autoabgaskatalyse, um die Effizienz zu steigern. Dabei werden drei Problemklassen behandelt: 1) Die Light-Off-Verzögerung beim Kaltstart in Oxidationskatalysatoren, 2) Die effiziente Ammoniakdosierung bei der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), um Ammoniakdurchbrüche zu vermeiden, 3) Die Spannungsstabilisierung der Lambda-Sonde im Drei-Wege-Katalysator (TWC) während einer Schubabschaltung.  
Das erste Problem wird durch eine modellbasierte mathematische Optimierung beschrieben, bei der das Beladungsprofil von gezont-strukturierten Katalysatoren auf Basis von Platingruppen-Metallen (PGM) optimiert wird. Dazu wird ein Optimierungsproblem aufgestellt, bei dem ein katalytisch aktiver Kanal in Zonen aufgeteilt wird, die mit unterschiedlichen Mengen von PGM beladen werden. Eine solche Beladung kann auch experimentell getestet werden. Die Effekte der Beladung auf Diffusionslimitierungen im Washcoat werden ebenso berücksichtigt. Ziel ist es, die axiale Verteilung der Beladung zu optimieren, wobei die Gesamtmenge an PGM konstant gehalten wird, um den Gesamtumsatz unter transienten Bedingungen zu maximieren. Dabei wird ein transientes 1D+1D-Modell mit dem impliziten Differentialgleichungslöser DASPKADJOINT numerisch gelöst und in ein nichtlineares Optimierungsproblem übersetzt, das mit einem beliebigen ableitungsbasierten nichtlinearen Optimierungslöser (NLP) behandelt werden kann. Dieses Modell wird auf zwei Beispielfälle angewandt: die CO-Oxidation auf einem Pt/Al2O3 Dieseloxidationskatalysator (DOC), um die Kaltstart-Emissionen zu minimieren, sowie die CH4-Oxidation auf Pd/Al2O3 unter Minimierung der Deaktivierungseffekte. In beiden Fällen wird beobachtet, dass bei der optimalen Lösung ein Beladungsmaximum am Kanaleingang zu einer Umsatzsteigerung führt. Die präsentierte Methode ist darüber hinaus allgemeingültig und kann auf andere Systeme mit unterschiedlicher Chemie angewandt werden, so dass auch signifikant andere Lösungen generiert werden können.
Die Fähigkeit, NOx effizient durch Ammoniak zu reduzieren, ist Grundlage der SCR-Technologie für die Dieselabgasnachbehandlung. Ammoniak wird diskontinuierlich durch Zersetzung von Harnstoff-Wasser-Lösung dem SCR-Katalysator zugeführt. Bei der Anwendung im Fahrbetrieb ist es wegen hochgradig transienter Wechsel der Emissionen nicht sinnvoll, konstante Menge Ammoniak zu dosieren. Eine effiziente optimale Dosierungsstrategie ist wichtig, um einerseits hohen Umsatz zu gewährleisten und andererseits NH3-Schlupf zu vermeiden. Die Entwicklung einer optimalen Dosierungsstrategie erfordert die Anwendung einfacher, aber hinreichend akkurater mathematischer Modelle und robuster Optimierungsalgorithmen, um eine Lösung für eine große Anzahl zu optimierender Parameter zu erhalten. Mehrere Modellreduktionstechniken aus der Literatur wurden verwendet, um ein Grey-Box-Modell zu konstruieren. Die Methode der orthogonalen Kollokation über finiten Elementen (OCFE) wird genutzt, um die differential-algebraischen Gleichungen aus dem Optimierungsproblem in ein nichtlineares Programm zu überführen. Das Modell wird auf eine Simulation des WHTC-Testzyklus angewandt, um die NH3-Dosierung für jede Sekunde des Zyklus zu optimieren. Die optimale Lösung verbessert die Effizienz des Reduktion unter Einhaltung eines Schlupf-Maximums von 10 ppm zu jedem Zeitpunkt. Die präsentierte Methode lässt sich auch auf ähnliche Probleme zur Optimierung transienter Eingangsbedingungen anwenden. 
Im dritten Beispiel wird dieselbe Optimierungsmethode erweitert, um eine optimale Lambda-Trajektorie zu berechnen, die das Lambdasensorsignal am Katalysatorausgang stabilisiert, um Durchbrüche fetter Abgasgemische zu vermeiden. Zunächst wurde ein Beobachtermodell mit vereinfachter Kinetik entwickelt und gegen Versuchsstand-Experimente kalibriert. Direkte Kollokation auf Basis der OCFE wird genutzt, um das Optimierungsproblem in ein nichtlineares Programm zu überführen. Die optimale Lösung zeigt eine schnelle Stabilisierung der Ausgangssensor-Spannung ohne Überschwingungen. Diese Strategie verringert die Relaxationszeit der Sensorspannung signifikant, was wichtig für den Einsatz als Feedback-Controller in einem Dreiwegekatalysator wäre.