Experimental and modeling study of ammonia emissions abatement in after-treatment catalytic systems for natural gas vehicles

Natural gas is a good alternative as a fuel for both spark-ignition (SI) or compression ignition (CI) internal combustion engines (ICE). Stoichiometric SI natural gas engines equipped with a three-way catalyst (TWC) represent a widespread solution to comply with Euro 6 emission standards in terms of CO, NOX and unburned hydrocarbons (HC). However, typical catalytic after-treatment systems have the drawback of promoting ammonia (NH3) formation when the engine switches the operation mode towards rich conditions. Since NH3 emissions are strictly limited by the current legislation, the objective of this study is to find, in collaboration with Fiat Powertrain Technologies (FPT), a solution to this problem for an after-treatment system typical of a heavy-duty stoichiometric natural gas engine. During a first step of this research, many simulations were performed with the aid of a dedicated software, identifying a suitable solution to abate emissions measured during the World Harmonized Transient Cycle (WHTC) homologation test. Different after-treatment configurations were investigated: implementing a SCR converter in series with a PGM layer resulted to be the most promising solution. Then, further simulations were carried out to optimize the previous configuration and to fulfill technical and economic constraints in terms of geometries and catalytic material loadings. NH3 conversions higher than 70% were predicted. In a second stage, a laboratory scale experimental campaign was performed to verify the activity of the after-treatment configuration simulated, recreating the conditions experienced by WHTC exhaust gases (space velocity, temperature and reactants concentration dynamics). This allowed to confirm the performances predicted by the simulation software.

Il gas naturale è una buon combustibile alternativo per motori a combustione interna sia ad accensione comandata che ad accensione spontanea. I motori a gas naturale stechiometrici ad accensione comandata equipaggiati con un three-way catalyst (TWC) rappresentano una soluzione diffusa per rispettare gli standard di emissioni Euro 6 in termini di CO, NOX e idrocarburi incombusti. Tuttavia i tipici sistemi di post-trattamento catalitici hanno lo svantaggio di favorire la formazione di ammoniaca (NH3) quando il motore cambia modalità operativa passando a condizioni ricche. Siccome le emissioni di NH3 sono rigorosamente limitate dall’attuale legislazione, l’obiettivo di questo studio è di trovare, in collaborazione con Fiat Powertrain Technologies (FPT), una soluzione a questo problema per un sistema di post-trattamento tipico di un motore a gas naturale stechiometrico heavy-duty. Durante una prima fase di questa ricerca, sono state eseguite diverse simulazioni con l’aiuto di un software dedicato, che hanno individuato una soluzione idonea a ridurre le emissioni misurate durante il test di omologazione World Harmonized Transient Cycle (WHTC). Sono state prese in considerazione diverse configurazioni di post-trattamento: l’inserimento di un convertitore SCR in serie con uno strato PGM è risultato essere la soluzione più promettente. Quindi, sono state effettuate ulteriori simulazioni per ottimizzare la precedente configurazione e soddisfare i vincoli tecnici ed economici in termini di geometrie e carichi di materiale catalitico, prevedendo conversioni di NH3 maggiori del 70%. In una seconda fase, è stata eseguita una campagna sperimentale in laboratorio per verificare l’attività della configurazione di post-trattamento simulata, ricreando le condizioni rinvenute nei gas combusti del test WHTC (velocità spaziale, temperature e dinamiche della concentrazione dei reagenti). Questo ha permesso di confermare le prestazioni predette dal software di simulazione.