Modelado cinético de la oxidación del hollín usando TGA

Abstract

[ES] Actualmente los motores de combustión interna, principalmente los de inyección directa de gasolina (GDI) y diésel presentan como inconveniente las emisiones de partículas de hollín, las cuales consisten en partículas carbonosas no quemadas producidas por la combustión incompleta del combustible. Su disminución se consigue esencialmente mediante el uso de filtros de partículas diésel (DPF) o gasolina (GPF) en los que las partículas quedan atrapadas y donde, posteriormente, se eliminan mediante un proceso de regeneración. Las propiedades del hollín determinan en gran medida el funcionamiento de los filtros. Por tanto, debido a la importancia de comprender la reactividad del hollín y optimizar el proceso de regeneración es necesario establecer de forma precisa los parámetros cinéticos del hollín. Un objetivo de este trabajo ha sido adaptar un modelo cinético, que se obtuvo ajustando datos procedentes de un análisis termogravimétrico (TGA) a temperatura constante, para comprobar si también era capaz de predecir la velocidad de reacción del hollín GDI cuando la temperatura aumenta de forma lineal durante el experimento. Por otra parte, el presente estudio se va a centrar en la determinación de los parámetros cinéticos para el caso de hollín Printex U. Para ello, se aplicará una metodología teórica-experimental que consiste en la realización de un modelo cinético en el que se estudia, por una parte, la dependencia de la velocidad de reacción con la masa del hollín y, por otra, un término cinético dependiente de la fracción molar del reactivo gaseoso (O2) y la temperatura. Los datos empleados para el estudio proceden de un análisis termogravimétrico (TGA). El TGA consiste en determinar la variación de la masa de una muestra cuando es sometida a una temperatura y una atmósfera controlada durante la reacción. En este caso, dicho análisis se basa en experimentos no isotérmicos definidos por rampas de calentamiento de 20 ℃ min-1 Este estudio permite sacar información sobre la oxidación del hollín de un motor GDI, cuando la temperatura aumenta de forma lineal, a partir de un modelo obtenido con ensayos isotermos y por otra parte, el desarrollo de un modelo cinético, para predecir la reactividad del hollín con diferentes fracciones molares de oxígeno, a partir de ensayos TG realizados con rampas de calentamiento para el hollín Printex U.

[EN] Currently, internal combustion engines, mainly those with direct gasoline injection (GDI) and diesel, have the disadvantage of soot particle emissions, which consist of unburned carbon particles produced by the incomplete combustion of the fuel. Their reduction is essentially achieved through the use of diesel (DPF) or gasoline (GPF) particle filters in which the particles are trapped and where, subsequently, they are eliminated through a regeneration process. The properties of the soot largely determine the operation of the filters. Therefore, due to the importance of understanding the reactivity of soot and optimizing the regeneration process it is necessary to establish precisely the kinetic parameters of soot. One aim of this work has been to adapt a kinetic model, which was obtained by fitting data from a thermogravimetric analysis (TGA) at constant temperature, to see if it was also able to predict the reaction rate of GDI soot when the temperature increases linearly during the experiment. On the other hand, the present study is going to focus on the determination of the kinetic parameters for the case of Printex U soot. For this purpose, a theoreticalexperimental methodology will be applied which consists in the realization of a kinetic model in which, on the one hand, the dependence of the reaction speed with the soot mass is studied and, on the other hand, a kinetic term dependent on the molar fraction of the gaseous reagent (O2) and the temperature. The data used for the study come from a thermogravimetric analysis (TGA). The TGA consists of determining the variation in mass of a sample when it is subjected to a controlled temperature and atmosphere during the reaction. In this case, this analysis is based on non-isothermal experiments defined by heating ramps of 20 ℃ min-1. This study provides information on the soot oxidation of a GDI engine, when the temperature increases in a linear way, from a model obtained with isothermal tests and on the other hand, the development of a kinetic model, to predict the reactivity of soot with different oxygen molar fractions, from TG tests carried out with heating ramps for Printex U soot.

[CA] Actualment el motors de combustió interna, principalment els d’injecció directa de gasolina (GDI) i dièsel presenten com a inconvenient les emissions de partícules de sutja, les quals consisteixen en partícules carbonoses no cremades produïdes per la combustió incompleta del combustible. La seua disminució s’aconseguix esencialment per mitjà de l’ús de filtres de partícules dièsel (DPF) o gasolina (GPF) en els que les partícules queden atrapades i on, posteriorment, s’eliminen per mitjà d’un procés de regeneració. Les propietats de la sutja determinen en gran manera el funcionament dels filtres. Per tant, a causa de la importància de comprende la reactivitat de la sutja i optimizar el procés de regeneració és necessari establir de forma precisa els paràmetres cinètics de la sutja. Un objetiu d’este treball ha sigut adaptar un model cinètic, que es va obtindre ajustant dades procedents d’una anàlisi termogravimétric (TGA) a temperatura constant per a comprovar si també era capaç de predir la velocitat de reacció de la sutja GDI quan la temperatura augmenta de forma lineal durant l’experiment. D’altra banda, el present estudi es va a centrar en la determinació dels paràmetres cinètics per al cas de sutja Printex U. Per a això, s’aplicarà una metodología teòricaexperimental que consisteix en la realització d’un model cinètic en què s’estudia, d’una banda, la dependència de la velocidad de reacció amb la massa de la sutja i, d’una altra, un terme cinètic dependent de la fracció molar del reactiu gasós (O2) i la temperatura. Les dades empleades per a l’estudi procedixen d’una anàlisi termogravimétric (TGA). El TGA consistix a determinar la variació de la massa d’una mostra quan és sotmesa a una temperatura i una atmosfera controlada durant la reacció. En aquest cas, l’anàlisi es basa en experiments no isotèrmics definits per rampes de calfament de 20 ºC min-1 . Este estudi permet traure informació sobre l’oxidació de la sutja d’un motor GDI, quan la temperatura augmenta de forma lineal, a partir d’un model obtingut amb assajos isoterms i d’altra banda, el desenvolupament d’un model cinètic, per a predir la reactivitat de la sutja amb diferents fraccions molars d’oxigen, a partir de assajos TG realizats amb rampes de calfament per a la sutja Printex U.