Theoretical development of an explicit solver for conversion efficiency in dual-layer washcoat flow-through monolithic reactors

Abstract

[ES] El presente Trabajo Final de Máster describe el desarrollo de un modelo uni-dimensional de orden reducido aplicado a la resolución de transporte de especies químicas en catalizadores de doble capa y flujo continuo, con un bajo esfuerzo computacional varios órdenes de magnitud por debajo de tiempo real. Ello lo dota de la capacidad de integrarse en la unidad de control electrónico del vehículo (Electronic Control Unit, ECU). Está basado en la resolución de las ecuaciones de conservación de especies químicas de tal forma que contemple la competitividad entre reacciones químicas. Esta es una característica fundamental para un modelado robusto de la respuesta de los catalizadores bajo condiciones de conducción real, ya que el complejo mecanismo de reacción que tiene lugar requiere considerar la participación simultánea de cada especie química reactiva en múltiples reacciones.

Además del modelo, que se presenta como principal resultado de este trabajo, en primer lugar se proporciona una revisión bibliográfica sobre modelos de transporte de especies químicas aplicados a reactores monolíticos de flujo continuo. A continuación, se describe en detalle el procedimiento de resolución propuesto en este trabajo, incluyendo, paso a paso, la obtención de la solución explícita en tiempo real. Este enfoque general se puede aplicar a cualquier catalizador de flujo continuo caracterizado por un revestimiento de doble capa, con el único requisito de describir el mecanismo químico en cada capa mediante cinética lineal. En particular, el sistema propuesto se aplica al catalizador de oxidación de amoniaco (Ammonia Slip Catalyst, ASC) y, por lo tanto, a todas las especies químicas de interés en este caso: NH3, NO, NO2 y N2O. De acuerdo con el mecanismo de reacción planteado, que se simplifica por el bien del esfuerzo computacional y las dificultades para distinguir con certeza las diversas rutas de reacción en los experimentos con motores, se muestra que algunas de estas especies reaccionan sólo en una de las dos capas de revestimiento. En esos casos, se emplea el procedimiento de resolución para revestimientos de una sola capa. La consideración de esta solución dota al modelo de la capacidad para ser aplicado a cualquier mecanismo de reacción independientemente de la estructura de capas del revestimiento catalítico. El trabajo se completa con la descripción del proceso de calibración y validación del modelo empleando un ASC como caso de aplicación y ciclos de conducción realizados en banco de ensayo de motores.

[EN] This Master's Final Project describes the development of a one-dimensional reduced-order model applied to the transport of chemical species across dual-layer flow-through catalysts, with low computational effort several orderns of magnitude below real-time. This feature makes the model able to be integrated into the Electronic Control Unit of the vehicle (ECU). The model is based on the solution of the conservation equations of chemical species considering the competitivity between chemical reactions. This is a keyl characteristic for a robust modeling of the catalyst response under real driving conditions since the complex reaction mechanism that takes place requires considering the simultaneous participation of each reactive chemical species in multiple reactions.

In addition to the model, which is presented as the main result of this work, a bibliographic survey focused on the modelling approached for chemical species transport in flow-through monolithic reactors is firstly provided. Next, the specific solution procedure presented in this work is described in detail, including the obtaining of the real-time explicit solution step-by-step. This general approach can be applied to any flow-through catalyst characterized by a dual-layer washcoat, as long as the chemical mechanism in each layer is defined by means of linear kinetics. In particular, the proposed system is applied to the ammonia oxidation catalyst (Ammonia Slip Catalyst, ASC) and, therefore, to all the chemical species of interest in this case: NH3, NO, NO2 y N2O. In accordance with the presented reaction mechanism, which is simplified for the sake of computational effort and the difficulties in distinguishing the various reaction paths in engines experiments, it is shown that some of these species react only in one of the two layers of washcoat. In those cases, the solution procedure for single-layer washcoats is used. Considering this solution makes the model able to be applied to any reaction mechanism independently of the washcoat structure. Finally, this work describes the calibration and validation of the model considering an ASC as an application case and using real driving cycles performed in an engine test bed.