Understanding NH3 emissions over a three-way catalyst in lean/rich conditions

Tiago Casinhas Ribeiro

Key information

Authors:

Tiago Casinhas Ribeiro (Tiago Casinhas Ribeiro)

Supervisors:

David Berthout; Maria Filipa Gomes Ribeiro (Maria Filipa Gomes Ribeiro)

Published in

12/10/2015

Abstract

Os actuais sistemas de escape dos motores a gasolina encontram-se a atingir o máximo das suas potencialidades e é expectável que, com futuras regulamentações, o actual sistema não seja capaz de cumprir os padrões exigidos. Motores de ignição por faísca com injecção directa, operados em condições pobres, têm em um potencial significativo para aumentar a eficiência do motor e reduzir as emissões dos gases de estufa. Contudo, a redução dos NOx em condições pobres ainda apresenta sérios desafios. Actualmente, o objectivo é adicionar aos veículos a gasolina tecnologia já utilizada em sistemas de escape de veículos a diesel. Para compreender o papel que o catalisador de três-vias pode ter em sistemas de escape foi utilizada modelação matemática para descrever a cinética das reacções e o transporte de fenómenos. Uma primeira abordagem foi apresentada para aplicações em controlo e simulações em tempo real, onde um modelo com poucas dimensões, desenvolvido pelo IFPEN, foi usado como base para melhorar o esquema cinético. Este modelo foi, posteriormente, calibrado com resultados experimentais. Em seguida, uma segunda abordagem foi tomada para construir um modelo que pudesse incorporar a resistência a transferência de massa da fase gasosa para o catalisador. Apesar da modelação de reactores monolíticos que negligenciam a difusão de massa obter resultados satisfatórios, ainda existe interesse nestes fenómenos visto permitir a optimização na arquitectura destes dispositivos. Os modelos foram capazes de prever os resultados experimentais. Contudo, a necessidade de validar as funcionalidades acrescidas não pode ser esquecida e deve ser realizada subsequentemente. Current gasoline burn engines’ exhaust systems are reaching their full potential and it is expected that, with future regulations, the current design will not be able to meet with the required standards. Lean burn spark ignition direct injection (SIDI) engines offers significant potential for improving engine efficiency and reducing greenhouse gas emissions. However, NOx reduction in lean burn SIDI engines still presents serious challenges. Current drive is to add, to gasoline burn vehicles, technology already applied in diesel burn engines’ exhaust system (as lean NOx traps (LNT) or selective catalytic reductions (SCR)). To have a better understanding on the, current and future, role that the three-way catalyst (TWC) might have in the exhaust systems, mathematical modelling was performed on two topics: reaction kinetics and transport phenomena. A first approach was presented with use for control and real time simulations, where a low-dimension model, developed by IFPEN, was taken as base to add complexity to the kinetic scheme. Afterwards, this model was tuned with experimental data. Following that, a second approach was carried out to build a model that might incorporate mass resistance transfer, from the gas phase to and inside the washcoat. While modelling monolithic exhaust after-treatment reactors neglecting mass diffusion has achieved satisfactory results, interest in these phenomena still exists since enables optimization in the exhaust devices architecture. These models were able to predict the experimental data available. Nonetheless, the need to validate added functionalities with empirical tests cannot be obviated and should be subsequently performed.