Desarrollo de un modelo pseudo-homogéneo para catalizadores multicapa de oxidación de amoniaco

Abstract

[ES] El marco regulatorio relativo a la emisión de sustancias contaminantes en los motores de combustión interna alternativos (MCIA) ha evolucionado a nivel global imponiendo limites cada vez más restrictivos. En consecuencia, ha sido necesario el desarrollo y estudio de nuevas tecnologías que permitan mantener las prestaciones de los motores cumpliendo con la normativa vigente. Esto ha resultado en la aparición y continua mejora de los sistemas de post-tratamiento de los gases de escape, los cuales permiten limitar la emisión de las sustancias contaminantes a la atmósfera. Actualmente se encuentra en vigor la normativa Euro 6d, la cual impone límites a la emisión de monóxido de carbono, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y partículas sólidas. Con el objetivo de reducir las partículas sólidas es necesario emplear filtros de partículas, mientras que para el resto de las sustancias mencionadas se utilizan catalizadores específicos. En concreto, para la reducción de los óxidos de nitrógeno, el sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) permite alcanzar altas eficiencias de conversión empleando amoniaco como agente reductor. En este contexto de continua evolución se prevé que la implantación de la futura normativa Euro 7 imponga limitaciones a la emisión de sustancias que en la actualidad no se encuentran reguladas, entre la que se incluye el amoniaco. Por este motivo, ha surgido la necesidad de emplear catalizadores específicos para la eliminación de amoniaco, denominados ASC (Ammonia Slip Catalyst), en los MCIA. En este TFG se plantea el desarrollo de un modelo pseudo-homogéneo para ASC. Este tipo de modelo se caracteriza por asumir que la velocidad de los procesos difusivos es tan elevada que los gradientes de concentración entre el gas y las capas de catalizador es despreciable. Así, la resolución del transporte de especies se simplifica, permitiendo una considerable reducción en el coste computacional, abriendo su uso a sistemas de control embarcados. El modelo desarrollado se ha implementado en Matlab y se ha calibrado empleando ensayos llevados a cabo en puntos de operación estacionarios y en condiciones dinámicas. Finalmente, se realiza un estudio acerca de la validez de la hipótesis asumida en la concepción del modelo y de las limitaciones que genera al realizar simulaciones del sistema operando en condiciones reales.

[EN] The regulatory framework relating to the emission of pollutants in reciprocating in- ternal combustion engines (RICE) has evolved globally, imposing increasingly restrictive limits. Consequently, it has been necessary to develop and study new technologies to main- tain engine performance in compliance with current regulations. This has resulted in the emergence and continuous improvement of exhaust after-treatment systems, which limit the emission of pollutants into the atmosphere. The Euro 6d standard is currently in force, which imposes emission limits for carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides and solid particles. In order to reduce solid par- ticles, particulate filters must be used, while for the other substances mentioned, specific catalytic converters are used. In particular, for the reduction of nitrogen oxides, the selec- tive catalytic reduction (SCR) system allows high conversion efficiencies to be achieved by using ammonia as the reducing agent. In this context of continuous evolution, it is expected that the implementation of the future Euro 7 regulation will impose limitations on the emission of substances that are currently not regulated, including ammonia. For this reason, there is a need to use spe- cific catalysts for the elimination of ammonia, known as ASC (Ammonia Slip Catalyst), in RICE. In this project, the development of a pseudo-homogeneous model for ASC is proposed. This type of model is characterised by the assumption that the velocity of the diffusive processes is so high that the concentration gradients between the gas and the catalyst layers is negligible. Thus, the resolution of species transport is simplified, allowing a considerable reduction in the computational cost, opening its use to on-board control systems. The model developed has been implemented in Matlab and calibrated using tests carried out at stationary operating points and under dynamic conditions. Finally, a study is carried out on the validity of the hypothesis assumed in the conception of the model and the limitations it generates when simulating the system operating under real conditions.