Modello 1D per la caratterizzazione fisica e chimica di una linea di scarico per un motore a benzina

The thesis project is based on the calibration of an exhaust system for a gasoline engine, composed of a TWC and a cGPF, using the AVL Cruise M software. The physics of a catalyst is based on determining the backpressure between the TWC inlet and outlet, which is governed by Darcy’s law. Therefore, starting from the geometry and internal characteristics, it was possible to derive the exact formulation of the pressure drop. Compared to the physical aspect, the chemical interactions within a catalyst are more complex to determine. The kinetic approach studied and used was the Langmuir-Hinshelwood (L-H kinetic approach), which is based on competition between the various chemical species present in the exhaust gases to occupy the active sites within the noble metal, thereby enabling the reactions to occur. According to the literature, the chemical calibration of an exhaust line should be carried out using steady-state cycles, with variations in flow rate and temperature, where a specific amount of a single pollutant enters the catalyst. By knowing the amount of pollutant at the inlet (Engine Out) and at the outlet, it is possible to determine the behavior of the parameters that characterize the individual reactions occurring within the catalyst. Due to a lack of data, a similar approach was followed by "cutting" a transient into phases based only on temperature variation (variation in flow rate was neglected). The temperature considered by the L-H kinetic approach is that of the solid body of the catalyst, the canning. By knowing the pollutants at the inlet and outlet of the catalyst, the parameter trends were determined using a genetic optimizer available within the software, followed by manual calibration during the refining phase. The resulting trends referred to a single homologated cycle carried out under specific environmental conditions. Subsequently, the behavior was tested on other cycles, under different environmental conditions but always with the same exhaust line, yielding satisfactory results.

Il progetto di tesi si basa sulla calibrazione di un sistema di scarico per un motore a benzina composto da un TWC e un cGPF attraverso il software AVL Cruise M. La fisica di un catalizzatore si basa sulla determinazione della contropressione tra ingresso e uscita TWC, questa di basa sulla legge di Darcy. Quindi, a partire dalla geometria e dalle caratteristiche interne, è stato possibile arrivare alla formulazione esatta della differenza di pressione. Rispetto alla fisica, le interazioni chimiche di un catalizzatore sono più complesse da determinare. L'approccio cinetico studiato ed utilizzato è stato quello di Langmuir-Hinshelwood (L-H kinetic approach) che si basa su una competizione tra le diverse specie chimiche presenti nei gas di scarico per occupare i siti attivi all'interno del materiale nobile e quindi di far avvenire le reazioni. Da letteratura la calibrazione chimica di una linea di scarico dovrebbe avvenire attraverso cicli stazionari, al variare di portata e temperatura, in cui in ingresso al catalizzatore entra un determinata portata di un solo inquinante. Conoscendo quindi la quantità di inquinante in ingresso (Engine Out) e la quantità di inquinante in uscita, si è in grado di determinare l'andamento dei parametri che caratterizzano le singole reazioni che avvengono all'interno del catalizzatore. A causa della mancanza di dati si è proceduto in maniera analoga "tagliando" un transitorio in delle fasi al variare della sola temperatura (la variazione della portata è stata trascurata). La temperatura considerata dall'approccio cinetico di L-H è quella del corpo solido del catalizzatore, il Canning. Conoscendo quindi gli inquinanti in ingresso e in uscita dal catalizzatore, l'andamento dei parametri è stato trovato attraverso un'ottimizzatore genetico presente all'interno del software e attraverso successiva calibrazione manuale in fase di refining. L'andamento trovato era riferito ad un singolo ciclo omologato effettuato in determinate condizioni ambientali. In fase successiva si è testato l'andamento anche su altri cicli, in diverse condizioni ambientali ma sempre con la stessa linea di scarico, trovando risultati soddisfacenti.