Estudio de la influencia de la temperatura en la eficiencia del catalizador de oxidación de amoniaco (ASC) en condiciones de conducción real

Abstract

[ES] Debido al creciente interés en la reducción de emisiones contaminantes de los motores de combustión interna alternativos y los restrictivos límites establecidos en la legislación se pretende estudiar el impacto de la temperatura en la eficiencia del catalizador de amoníaco (Ammonia Slip Catalyst (ASC)) del sistema de postratamiento de un motor diésel. El objetivo de este catalizador es reducir las emisiones de amoníaco (NH3) y óxidos de nitrógeno (NOx) resultantes de la operación del sistema catalítico de reducción de NOx previo, teniendo a su vez en cuenta la potencial generación de óxido nitroso (N2O) en el ASC debido a la selectividad del proceso de oxidación de amoniaco. Los NOx se generan en la cámara de combustión por las altas temperaturas que se alcanzan y la presencia de nitrógeno y oxígeno en exceso en el aire de admisión, y en los motores diésel se utiliza en NH3 para reducir los NOx a agua y nitrógeno molecular. Se sabe que las reacciones de oxidación y reducción del NH3 y de los NOx necesitan alta temperatura para producirse, y el ASC, al localizar último en la cadena de catalizadores del sistema de postratamiento no se consigue alcanzar las temperaturas óptimas, especialmente en los arranques en frío del motor. El punto de partida de este trabajo es un modelo para reactores monolíticos con recubrimiento catalítico bicapa desarrollado en código Matlab y proporcionado por el grupo de control de emisiones del I.U. CMT-Clean Mobility & Thermofluids. Con ayuda de este software, se estudiarán las diferentes estrategias de calentamiento basadas en el empleo de resistencias térmicas a la entrada del ASCA y aplicadas al ciclo de conducción Worldwide Harmonised Light-Duty Vehicles Test Procedure (WLTP). El ciclo de conducción WLTP consta de 4 fases, baja, media, alta y extra-alta velocidad. El objetivo es discernir las características que deben tener las estrategias de calentamiento del gas de escape para conseguir el mejor balance entre eficiencia de conversión de especies contaminantes y consumo energético.

[EN] Due to the growing interest in the reduction of polluting emissions from internal combustion engines and the restrictive limits established by the European Parliament it is intended to study the influence of the temperature in the Ammonia Slip Catalyst s efficiency from the after-treatment system of a Diesel engine. The objective of this catalyst is to reduce the ammonia (NH3) and nitrogen oxides (NOx) emissions resulting from the operation of the preceding NOx reduction catalytic system, while also considering the potential generation of nitrous oxide (N2O) in the ASC due to the selectivity of the ammonia oxidation process. NOx is generated in the combustion chamber due to the high temperatures reached and the presence of nitrogen and excess oxygen in the intake air. In diesel engines, NH3 is used to reduce NOx to water and molecular nitrogen. It is known that the chemical reactions of reduction and oxidation of NH3 and NOx require high temperature to occur, and the ASC, being located last in the chain of catalysts in the after-treatment system, does not achieve optimal temperatures, especially during cold starts of the engine. The starting point of this work is a model for monolithic reactors with a dual-layer catalytic coating developed in Matlab code, design by the emissions control group of I.U CMT-Clean Mobility & Thermofluids. With the help of this software, different heating strategies based on the use of thermal resistances at the entrance of the ASC will be studied and applied to the Worldwide Harmonised Light-Duty Vehicles Test Procedure (WLTP) driving cycle, used by the European Union. The WLTP consist of four phases: low, medium, high, and extra-high speed. The objective is to discern the characteristics that heating strategies for exhaust gas should have to achieve the best balance between conversion efficiency of pollutant species and energy consumption.

[CA] Degut al creixent interès en la reducció d’emissions contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) i els límits restrictius establerts per la legislació, es pretén estudiar l’impacte de la temperatura en l’eficiència del catalitzador d’oxidació d’amoníac (Ammonia Slip Catalyst (ASC)) del sistema de postractament d’un motor dièsel. L’objectiu d’aquest catalitzador es reduir les emissions d’amoníac (NH3) en primer terme, i òxids de nitrogen (NOx) en segon terme, resultants de l’operació del sistema catalític de reducció de NOx previ (Selective Catalytic Reduction (SCR)), tenint en compte la potencial generació d’òxid nitrós (N2O) a l’ASC degut a la selectivitat del procés d’oxidació de l’amoníac. Els NOx es generen a la cambra de combustió per les altes temperatures que s’hi assoleixen i la presencia de nitrogen i oxigen en excés a l’aire d’admissió (dosatges pobres). Als motors dièsel s’utilitza un líquid conegut com a AdBlue per a la reducció de NOx en el SCR a nitrogen i aigua; aquest està compost per un 32,5% d’urea d’alta puresa i un 67,5% d’aigua, que reaccionen en NH3 i diòxid de carboni (CO2). Es sap que les reaccions d’oxidació y reducció de NH3 y NOx necessiten alta temperatura per produir-se (entre 200 y 300ºC), i l’ASC, al trobar-se l’últim en la cadena de catalitzadors del sistema de postractament, no aconsegueix assolir les temperatures òptimes, especialment durant els arrencament en fred del motor. El punt de partida d’aquest treball és un model per a reactors monolítics amb recobriment catalític bicapa desenvolupat en codi Matlab i proporcionat pel grup d’emissions de l’I.U CMT-Clean mobility & Thermofluids. Amb l’ajuda d’aquest software, s’estudiaran les diferents d’escalfament basades en l’ús de resistències tèrmiques a l’entrada de l’ASC que escalfen el flux de gasos d’escapament mitjançant la transferència de calor per convecció, i aplicades al cicle de conducció Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycles (WLTC). Aquest cicle de conducció consta de quatre fases: baixa, mitjana, alta y extra-alta velocitat. L’objectiu és discernir les característiques que han de tenir les estratègies d’escalfament del gas d’escapament per aconseguir el millor equilibri entre l’eficiència de conversió d’espècies contaminants i consum energètic