Effect of H2-assisted oxidation catalysts on CO and HC emissions from dual-fuel H2-diesel engines under variable ambient and driving conditions

Abstract

[ES] Las normativas globales vigentes de emisiones contaminantes requieren su cumplimiento incluso en condiciones ambientales adversas, considerando altitud y temperatura ambiente como condiciones de contorno adicionales en el proceso de homologación. Al mismo tiempo, la adopción de nuevas tecnologías de combustión, como la combustión de hidrógeno (H2) o el empleo de estrategias combustión duales se han vuelto fundamentales en la contribución de los motores de combustión de interna a la descarbonización del transporte. Todo ello hace fundamental evaluar las prestaciones de los sistemas de postratamiento de gases de escape en condiciones representativas de las nuevas soluciones en desarrollo.

De esta forma, este estudio presenta una investigación exhaustiva sobre la reactividad del monóxido de carbono (CO) y de los hidrocarburos (HC) en presencia de H2 en catalizadores de oxidación bajo condiciones reales de conducción, utilizando un enfoque que combina de manera sinérgica herramientas experimentales y computacionales. La investigación se lleva a cabo desde dos perspectivas: la evaluación de los catalizadores operando de acuerdo al Worldwide harmonized Light duty Test Cycle (WLTC) y, extendiendo el análisis de su respuesta a condiciones extremas de altitud y temperatura ambiente.

Se propone un mecanismo de reacción que cubre las vías de conversión de CO, HC y H2, integrado en un modelo de orden reducido para catalizadores con recubrimiento catalítico multicapa. El estudio analiza la influencia de la concentración de H2 en la reactividad del CO y los HC a lo largo de los canales del reactor monolítico en catalizadores de oxidación de Pt y Pt/Pd. La investigación abarca una serie de escenarios que van desde los típicos gases de escape de motores diésel de combustión dual con H2 hasta estrategias de post-inyección de H2. La discusión incluye variaciones en la respuesta del catalizador y diferencias entre las muestras de Pt y Pt/Pd, evaluando los beneficios acumulativos de la eficiencia de conversión frente al consumo de H2 en diversas estrategias de post-inyección. Además, se evalúa el impacto del H2 en la eficiencia de conversión de CO y HC operando bajo dos condiciones ambientales distintas, nivel del mar a 20 °C y 2.500 m de altitud a -7 °C. Se observa un gran potencial para mejorar la eficiencia a elevada altitud mediante la adición de H2, aunque solo en elevada concentración por el incremento que se produce la inhibición de CO en estas condiciones.

[EN] Current global regulations for pollutant emissions require compliance even under adverse environmental conditions, considering altitude and ambient temperature as additional boundary conditions in the homologation process. At the same time, the adoption of new combustion technologies, such as hydrogen (H₂) combustion or the use of dual combustion strategies, have become fundamental in the contribution of internal combustion engines to the decarbonization of transport. All this makes it essential to evaluate the performance of exhaust gas aftertreatment systems under conditions representative of the new solutions under development.

Thus, this study presents an exhaustive investigation of the reactivity of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) in the presence of H₂ in oxidation catalysts under real driving conditions, using an approach that synergistically combines experimental and computational tools. The research is carried out from two perspectives: the evaluation of the catalysts operating according to the Worldwide harmonized Light duty Test Cycle (WLTC) and, extending the analysis of their response to extreme altitude and ambient temperature conditions.

A reaction mechanism that covers the CO, HC, and H₂ conversion pathways is proposed and integrated into a reduced-order model for monolithic reactors with dual-layer washcoat. The study analyzes the influence of H₂ concentration on CO and HC reactivity along the channels of the monolithic reactor in Pt and Pt/Pd oxidation catalysts. The research covers a range of scenarios ranging from typical H₂ dual-fuel diesel engine exhaust gases to H₂ post-injection strategies. The discussion includes variations in catalyst response and differences between Pt and Pt/Pd samples, evaluating the cumulative benefits of conversion efficiency versus H₂ consumption in various post-injection strategies. In addition, the impact of H₂ on the CO and HC conversion efficiency is evaluated operating under two different environmental conditions, sea level at 20 °C and 2,500 m altitude at -7 °C. A great potential is observed to improve the efficiency at high altitude by adding H₂, although only at high concentration due to the increase in CO inhibition that occurs under these conditions.