A Global Reaction Mechanism for Transient Simulations of Three-Way Catalytic Converters

Author: Holder, Raoul TH Aachen, 04. September 2008 pages: 148 edition: 1 Aufl. language: EN ISBN-10: 3867277281 ISBN-13: 9783867277280 allocated areas: Maschinenbau-und Verfahrenstechnik category: Dissertation source of supply Print Version 23,00 € 19.55 in the shopping basket eBook (1488.6 kB) 23 in the shopping basket

Kurzbeschreibung

Zusammenfassung

Die Schadstoffbildung im Verbrennungsmotor resultiert aus der unvollständigen und unvollkommenen Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches, die aufgrund des komplexen Zusammenwirkens zwischen der chemischen Umsetzung und den Transportprozessen von Masse, Impuls und Energie entstehen kann. Zur Abgasreinigung von Fahrzeugen mit stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren kommen so genannte Drei-Wege-Katalysatoren zum Einsatz. Um auch in Zukunft die zunehmend strengeren Emissionsgesetzgebungen erfüllen zu können, ist eine konsequente Optimierung der Abgasnachbehandlungssysteme notwendig. Dabei ist die Verwendung von Simulationsmodellen eine viel versprechende Alternative zu den zeit- und kostenintensiven Motor- und Fahrzeugversuchen.

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines globalen Reaktionsmechanismus für Drei-Wege-Katalysatoren mit Hilfe eines transienten eindimensionalen Katalysatormodells. Im Fokus steht hierbei die Modellierung des Konvertierungsverhaltens von nicht gealterten, als auch von gealterten Katalysatoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Nach einer kurzen Einführung der allgemeinen Erhaltungsgleichungen für die Gas- und die Feststoffphase in Kapitel 2, wird anschließend das eindimensionale Katalysatormodell hergeleitet. Hierbei werden die Erhaltungsgleichungen für Energie und Masse über geeignete Transportkoeffizienten gekoppelt. In Kapitel 3 werden die relevanten Temperatur- und Stofftransportprozesse im Monolithenkanal unter nicht-reagierenden stationären Bedingungen berechnet, bevor die katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid auf der Kanaloberfläche Betrachtung findet. Dabei wird die Eignung von so genannten a priori Korrelationen für Sherwood- und Nusselt-Zahlen für monolithische Katalysatoren bewertet. Kapitel 4 beschreibt die Entwicklung und Validierung des globalen Reaktionsmechanismus. Zunächst werden die kinetischen Parameter der 16 Reaktionsgleichungen mit Hilfe eines mehrkriteriellen Optimierungsalgorithmus an Motorversuche angepasst, um das Konvertierungsverhalten eines nicht gealterten Katalysators unter verschiedenen Betriebsbedingungen abzubilden. Im zweiten Schritt wird ein gealterter Katalysator lediglich über die zur Verfügung stehende Oberfläche modelliert. Die Simulationsergebnisse werden wiederum mit entsprechenden experimentellen Daten verglichen und dabei wird insbesondere die Konvertierung von Wasserstoff diskutiert. Anschließend wird der Reaktionsmechanismus um ein empirisches Sauerstoffspeichermodell erweitert. Schließlich wird das Katalysatormodell dazu verwendet, einen Fahrzeugtestzyklus FTP75 zu simulieren. Die Berechnungsergebnisse des gealterten Systems werden dann mit Messdaten verglichen, ohne eine weitere Anpassung der Reaktionsraten vorzunehmen.

Description

The complex interactions between chemical kinetics and transport phenomena of mass, momentum and energy lead to incomplete fuel combustion, which is the origin of pollutant formation of internal combustion engines. Vehicle exhaust gas emission control devices have continuously been improved to meet the constantly tightened standards. Three-way catalyst technology is extensively used for the purification of automotive exhaust gases, usually in combination with monolithic (honeycomb) reactors. A promising alternative to the time consuming and costly engine and vehicle experiments are catalytic reactor model.

In this work a global reaction mechanism for three-way catalysts is developed including 16 reactions and 12 gas phase species. The reaction mechanism is combined with an empirical oxygen storage model and validated against a number of different real engine experiments carried out on both fresh (not aged) and aged catalysts. Once the mechanism is validated against the fresh system, the adaption to the aged system is achieved solely by the reduction of the available reactive surface area of the washcoat, without tuning the individual reaction parameters. Finally the parameter set of the aged system is used to simulate a FTP75 drive cycle and the results are compared to experimental data of the same catalyst without further tuning.

First a transient one-dimensional catalyst model is derived in chapter 2. First a short introduction to the structure of monolithic reactors is given, followed by the introduction of the governing equations for catalytically reacting flows. Chapter 3 focuses on the relevant transport processes inside the monolithic reactor channel and the adequacy of the transport models applied here. Local distributions of Nusselt and Sherwood numbers inside a monolith channel are resolved using a two-dimensional model. The cases of non-reacting and reacting conditions at the channel wall are discussed and subsequently compared to according a priori correlations. The subject of chapter 4 is the development and validation of the reaction mechanism. An advanced multi-objective optimization algorithm is used to calibrate the kinetic parameters of the presented reaction mechanism (comprising 16 reactions) to match the conversion behavior of a fresh catalyst. The simulation results are compared with experimental data at different operating conditions. In a second step the kinetic model is then used to simulate the conversion behavior of an aged catalyst. The adaption of the kinetic model is achieved only by the reduction of the available surface area. Again the computed conversion characteristics are compared to measured data. Finally an empirical oxygen storage model is included. In chapter 5 the catalyst model for the aged system is used to predict the tailpipe emissions during real drive cycle conditions. Finally a catalyst design parameter study is presented as a typical application of the model within the development process of exhaust gas aftertreatment systems.

Stichwörter

Katalyse; Drei-Wege-Katalysator; Simulation; Strömungsmechanik; Mehrphasen Reaktionskinetik; Optimierungsalgorithmen; Transportprozesse

Keywords

Catalysis; Chemical Reactors; Computation; Fluid Mechanics; Mathematical modelling; Multiphase reactions; Optimization; Transport processes