Contribution to the understanding of filtration and pressure drop phenomena in wall-flow DPFs

Abstract

From the last decades of the 20th century, internal combustion engines have undergone a continuous improvement process aimed to the increase of their efficiency and decrease of the pollutants emissions. The reduction of the availability of fossil fuel and the increase of human-made pollution observed in the last decades is leading worldwide to more stringent emission standards that make the engine manufacturers to constantly look for fuel consumption and emission reductions while keeping engine performance. To comply with current and incoming emission regulations, the exhaust line of internal combustion engines has been gradually complicated by the presence of aftertreatment systems. Among them, the particulate filter is the device in charge of abating the emission of soot in the atmosphere. Concerning compression ignition engines, diesel particulate filters (DPF) were first commercially utilized in significant numbers in passenger car and heavy-duty engines since the beginning of the 21st century. Euro 6 emission standards limits the emitted particulate matter from direct injection engines, thus extending the use of particulate filters also to direct injection gasoline engines. A deep knowledge of the phenomena happening inside the DPF is required for the correct understanding of the behaviour of this system and its interaction with the engine. The precise knowledge of the filtration and pressure drop processes is mandatory for the design of the particulate filter and is also essential to wisely think up and analyse solutions aimed to limit the negative impact of the filter on the fuel consumption maintaining its capability of retaining soot particles. Thus, the present work pretends to provide a contribution to the understanding of these phenomena in wall-flow DPFs. The problem has been faced on a computational and experimental basis. A notable part of the work was dedicated to the development and validation of a one-dimensional DPF filtration model to be coupled with the existing pressure drop model. The model was implemented in OpenWAM¿, the open-source gas dynamics software for internal combustion engines and components computation developed at CMT - Motores Térmicos. The developed computational tool was applied to the assessment of the aftertreatment (DOC&DPF) volume downsizing potential in post- and pre-turbo aftertreatment configuration. The study is completed with experimental analysis to support theoretical insights discussing how the soot deposition profile and the particulate layer properties impact on the DPF pressure drop.

Desde las últimas décadas del siglo XX, se ha producido un proceso de mejora continua de los motores de combustión interna alternativos con el fin de aumentar su eficiencia y reducir las emisiones contaminantes. La reducción de la disponibilidad de combustibles fósiles y el incremento de la polución de origen antropogénico observados en las ultimas décadas ha provocado el progresivo endurecimiento de las normativas anticontaminación a nivel mundial obligando a los fabricantes de motores a buscar la reducción continua del consumo de combustible y emisiones, manteniendo las prestaciones del motor. El cumplimiento de las actuales y futuras normativas anticontaminación requiere de la instalación de diversos sistemas de postratamiento de gases en la línea de escape de los motores de combustión interna alternativos, aumentando su complejidad. Entre estos sistemas, el filtro de partículas es el equipo encargado de la reducción de la emisión de hollín a la atmósfera. Con respeto a los motores de encendido por compresión, los filtros de partículas diésel se implementaron por primera vez de forma masiva en vehículos de pasajeros y vehículos pesados a principio del siglo XXI. La normativa anti contaminación Euro 6 limita las emisiones de partículas de los motores de inyección directa, extendiendo el uso de filtros de partículas a los motores de inyección directa de gasolina. Es necesario tener un conocimiento profundo de los fenómenos que tienen lugar en el DPF para comprender el comportamiento de este sistema y su interacción con el motor. El conocimiento de los procesos de filtrado y perdida de presión es vital para el diseño del filtro de partículas y resulta esencial para encontrar y analizar soluciones que ayuden a limitar el impacto negativo del DPF sobre el consumo de combustible sin perder la capacidad de retener partículas de hollín. En este contexto, este trabajo pretende aportar una contribucción a la comprensión de estos fenómenos en filtros de partículas de flujo de pared. Esta tarea se ha planteado desde un punto de vista computacional y experimental. Parte importante de este trabajo ha consistido en el desarrollo y validación de un modelo de filtrado unidimensional de DPF que se ha acoplado con el modelo de caida de presión ya existente. El modelo se ha implementado en OpenWAM¿, el software de libre acceso para el cálculo fluidodinámico de motores de combustión interna y sus componentes desarrollado en CMT - Motores Térmicos. La herramienta computacional desarrollada se ha aplicado a la evaluación del potencial de reducción de volumen de sistemas de postratamiento (DOC&DPF) en configuraciones post- y pre-turbo. Este estudio se ha completado con un análisis experimental para dar respaldo a los conceptos teóricos empleados discutiendo como el perfil de deposición del hollín y las propiedades de la capa de partículas afectan a la perdida de presión del DPF.

Des les últimes dècades del segle XX, s'ha produït un procés de millora contínua dels motors de combustió interna alternatius amb l'objectiu d'augmentar la seua eficiència i reduir les emissions contaminants. La reducció de la disponibilitat de combustibles fòssils i l'increment de la polució d'origen antropòlogic observats en les últimes dècades ha provocat que les normatives anticontaminació s'han fet més rígides a nivell mundial, obligant als fabricants de motors a buscar la reducció contínua del consum de combustibles i emissions, mantenint les prestacions dels motors. El cumpliment de les normes anticontaminació actuals i futures, requereixen de l'instalació de diversos sistemes de post-tractament de gasos a l'eixida dels motors de combustió interna alternatius, llavors augmentant la complexitat. Entre aquestos sistemes, el filtre de partícules es l'equip encarregat de la reducció de les partícules de sutge a l'atmosfera. Respecte als motors d'encès per compressió, els filtres de partícules van instalar-se de manera massiva als vehicles de passatgers i vehicles pesats al principi del segle XXI. La normativa anti contaminació Euro 6 limita les emissions de partícules dels motors d'inyecció directa, estenent l'ús del filtre de partícules als motors d'injecció directa de gasolina. És necessari tindre un coneixement dels fenòmens que tenen lloc al DPF per a comprendre el comportament del sistema i la seua interacció amb el motor. El coneixement dels processos de filtrat i la pèrdua de pressió és vital per al diseny del filtre de partícules i resulta essencial per a trobar i analitzar les solucions que ajuden a limitar l'impacte negatiu del DPF sobre el consum de combustible sense perdre la capacitat de retenir partícules de sutge. En aquest context, el projecte pretén aportar una contribució a la comprensió d'aquestos fenòmens en els filtres de partícules de flux de paret. Aquesta feina s'ha plantejat des d'un punt de vista computacional i experimental. Part important d'aquest treball ha consistit en el desenvolupament i validació d'un model de filtrat unidimensional de DPF que s'ha acoplat a un model de pèrdua de pressió existent. El model s'ha implementat en OpenWAM¿, el software de lliure accés per al cálcul fluidodinámic de motors de combustió interna i els seus components desenvolupats al CMT - Motores Térmicos. La ferramenta computacional desenvolupada s'ha aplicat a la evaluació del potencial de reducció del volum de sistemes de post tractament (DOC&DPF) en les configuracions post- i pre-turbo. Aquest estudi s'ha completat amb una anàlisi experimental per a donar suport als concepts teòrics emprats discutint com el perfil de la disposició de sutge i les propietats de la capa de partícules que afecten a la pèrdua de pressió del DPF.