Modellazione cinetica dei sistemi catalitici LNT Pt-Ba/Al2O3

This master thesis deals with the abatement of NOx from mobile sources. The attention was focused on the study of the catalytic system Lean NOx Trap (LNT) based on Pt-Ba/γ-Al2O3. In literature there are many kinetic models describing the LNT system but some of them only describe one of the two phases of storage and reduction, some do not consider the formation of nitrites while others, even if they predict their formation, are inconsistent with was observed experimentally with regard to the role of ammonia and/or the relative amount of adsorbed species on the barium sites (nitrites and nitrates) at different temperatures. This thesis activity, starting from the works in the literature, aims to combine a storage kinetic model with a reduction one in order to formulate a model, consistent with what experimentally observed, able to describe both phases of the LNT catalytic system simultaneously. In addition, this model must be able to describe a succession of lean/rich cycles obtained using the Rapidly Pulsed Reactant (RPR) technique. The latter aspect, called Di-Air, was recently discussed by Toyota, which argues that using this technique can lead to improve reduction efficiencies as well as reduce fuel penalty associated with the fuel injection used to regenerate the LNT system. The simulations carried out have shown to describe satisfactorily the main aspects of a complete lean/rich cycle. Moreover, the modeling activity has enhanced Toyota’s hypothesis on the best nitrogen oxides reduction efficiency using the RPR technique.

Nella presente tesi di laurea magistrale è stata affrontata la tematica dell’abbattimento delle emissioni inquinanti di ossidi di azoto da fonti mobili. L’attenzione è stata focalizzata sullo studio del sistema catalitico Lean NOx Trap (LNT) a base di Pt-Ba/γ-Al2O3. In letteratura sono presenti molti modelli cinetici atti a descrivere il sistema LNT ma alcuni di questi descrivono solo una delle due fasi di accumulo e riduzione, taluni non prevedono la formazione di nitriti mentre altri, pur prevedendo la formazione di nitriti, sono inconsistenti con quanto osservato sperimentalmente per quanto riguarda il ruolo dell’ammoniaca e/o la relativa quantità di specie adsorbite sui siti bario (nitriti e nitrati) alle diverse temperature. Questa attività di tesi, partendo dai lavori presenti in letteratura, ha l’obiettivo di accoppiare un modello cinetico di accumulo con uno di riduzione in modo tale da formulare un modello, consistente con quanto osservato sperimentalmente, in grado di descrivere contemporaneamente entrambe le fasi del sistema catalitico LNT. Inoltre, questo modello dev’essere in grado di descrivere una successione di cicli lean/rich ottenuti tramite l’utilizzo della tecnica RPR (Rapidly Pulsed Reactant). Quest’ultimo aspetto, denominato Di-Air, è stato discusso recentemente dalla Toyota, la quale sostiene che l’utilizzo di tale tecnica può portare a migliori efficienze di abbattimento degli ossidi di azoto oltre che a ridurre il consumo di carburante associato all’iniezione di quest’ultimo per la rigenerazione del sistema. Le simulazioni svolte hanno dimostrato di descrivere in modo più che soddisfacente gli aspetti principali di un ciclo completo accumulo/riduzione. Inoltre, l’attività di modellazione svolta ha valorizzato l’ipotesi avanzata dalla Toyota concernente la miglior efficienza di riduzione degli ossidi di azoto a seguito dell’utilizzo della tecnica RPR.