Calibración de un modelo computacional de catalizador de tres vías para un motor de GLP

Abstract

[ES] Una de las necesidades críticas de un modelo de catalizador de tres vías (TWC) es poder predecir la activación del catalizador para la conversión de las especies contaminantes. Esto es crucial para los estudios de aplicación y estudios de arquitectura de vehículos porque la mayoría de las emisiones de un TWC ocurren antes de que se alcance el light-off (llamadas emisiones de arranque en frío). Los experimentos de laboratorio brindan información detallada sobre el mecanismo de reacción y las formas analíticas de las expresiones de velocidad, ya que están mejor controladas que las pruebas de vehículos. En este trabajo, se utilizaron ocho conjuntos de datos para dos regímenes de giro diferentes, correspondientes a 1200 rpm y 1500 rpm respectivamente, a relaciones entre combustible y aire (FAR) variadas para calibrar y validar el modelo cinético global TWC. Nuestro énfasis en este trabajo se limita a predecir el comportamiento de un catalizador de tres vías para un motor de gas licuado del petróleo (GLP) de manera de poder diseñar un sistema óptimo de postratamiento de gases de escape para este tipo de automóviles que cumpla con las especificaciones de la Euro VI. El modelo cinético se calibra mediante una base de datos experimentales a partir de un sistema cíclico el cual estuvo conformado por fases ricas y pobres a fin de validar el modelo computacional propuesto para la eliminación de CO, HC y NOx. Finalmente, se logró alcanzar un ajuste que reproduce el comportamiento de las especies a lo largo del tiempo en el catalizador. Los resultados obtenidos muestran el potencial del modelo para representar los fenómenos que ocurren en un catalizador de tres vías con una composición de gas proveniente de la combustión de gas licuado, muy rica en propano, incluyendo la oxidación de CO y HC en presencia de NOx así como O2, cuyo mecanismo de almacenamiento y liberación durante las fases pobres y ricas también es considerado.

[EN] One of the critical needs of a three-way catalyst (TWC) model is to be able to predict the catalyst activation for the conversion of the pollutant species. This is key for vehicle architecture and application studies because most emissions from a TWC occur before light-off is reached (called cold-start emissions). Laboratory experiments provide detailed information on the reaction mechanism and analytical forms of velocity expressions, as they are better controlled than vehicle tests. In this work, eight data sets were used for two different engine speeds, corresponding to 1200 rpm and 1500 rpm respectively, at varied fuel-air ratios (FAR) to calibrate and validate the global TWC kinetic model. Our emphasis in this work is limited to predict the behavior of a three-way catalyst for a liquefied petroleum gas (LPG) engine in order to design an optimal exhaust gas after-treatment system for this type of car that complies with the Euro VI specifications. The kinetic model is calibrated through an experimental database from a cyclic tests consisting of rich and poor phases to validate the proposed computational model for the removal of CO, HC and NOx. Finally, a setup was achieved that reproduces the behavior of the species over time in the catalyst. The results show the potential of the model to represent the phenomena that occur in a three-way catalyst with a gas composition from the combustion of liquefied gas, very rich in propane, including the oxidation of CO and HC in the presence of NOx as well as O2, whose storage and release mechanism during the rich and lean phases is also considered.