Control oriented model development for ammonia selective cataltytic reduction (SCR) in mobile aftertreatment systems

NOx emission limits from mobile sources have become more stringent with the current legislations. Consequently, accurate model predictions and on-board controls of the engine’s after-treatment systems are required in order to further reduce the NOx emissions. Control oriented models for Selective Catalytic Reduction were studied as a strategy to provide accurate simulations with low computational costs which are suitable for control purposes. Interests were focused only on the development of different types of SCR control oriented models and not on the kinetics of a SCR system; all the models were implemented with a Fe-catalyst kinetic mechanism. First, a 0D CSTR model, which is the state of the art in control oriented models, was validated. It was followed by the proposal of novel control oriented models corresponding to 1D PFR systems discretized in several pieces. A comparison in terms of models’ performance and computational costs between the control oriented models (0D and 1D) with a chemical-physical model was performed for simple dynamic tests and for a World Harmonized Transient Cycle (WHTC) with cold start for heavy-duty diesel engines. Being the proposed 1D control oriented models the novelty of this work, it was found that these models exhibited more accurate behaviors especially in terms of ammonia slip; they were more similar to the chemical-physical model than the 0D model. The accuracy gains were augmented when increasing the discretization order, which represented a trade off with the computational time ratios. In particular, the loss in computational speed was evaluated as not significant by means of proper indicators, detailed in the work.

I limiti di emissione di NOx da gli fonti mobili sono diventati più stringenti con le normative vigenti. Di conseguenza, sono necessari modelli con accurate predizione e controlli on-board dei sistemi di post-trattamento del motore al fine di ridurre ulteriormente le emissioni di NOx. I Modelli Orientati al Controllo per Riduzione Catalitica Selettiva (SCR) sono stati studiati come possibile strategia per prevedere simulazioni accurate con basso tempo computazionale, che è adatto per fini di controllo. Gli interessi erano focalizzati solo sullo sviluppo di diversi tipi di modelli e non sulla cinetica di un sistema SCR; tutti i modelli sono stati realizzati con un meccanismo cinetico in comune (Fe-zeolite). Prima, un modello 0D CSTR, che è lo stato dell'arte in modelli orientati al controllo, è stato sviluppato e convalidato. In seguito sono stati proposti nuovi modelli orientati al controllo, corrispondenti a sistemi 1D PFR discretizzati in diversi modi I modelli orientati al controllo (0D e 1D) sono stati confrontati in termini di accuratezza e di tempo computazionale sia per semplici prove dinamiche che in un tipico ciclo di emissione World Harmonized Transient Cycle (WHTC) con avviamento a freddo. Essendo i modelli orientati al controllo 1D la novità di questo lavoro, si è constatato che questi modelli forniscono previsioni più accurate, soprattutto in termini di rilascio di ammoniaca; sono modelli più simili al modello chimico-fisico rispetto al modello 0D. La precisione del modello aumenta in maniera proporzionale al numero di discretizzazioni. Tuttavia anche il costo computazionale aumenta: è necessario raggiungere un compromesso. Tuttavia, é stato valutato, tramite un indicatore appropriato, che questa diminuzione in velocità di calcolo non è significativa.