Experimental and modelling study of Cu- and Fe-based dual layer ammonia slip catalysts for mobile applications

In the last few years, international legislations have become more and more severe concerning the NOx emission from internal combustion engines. In order to comply with these legislations, different technologies must be adopted. Regarding Diesel engines the most spread technique, used for the NOx abatement, is the Selective Catalytic Reduction (SCR). The use of the SCR technology, however, leads to secondary environmental issues such as the ammonia bypass through the catalyst and its consequent emission in the atmosphere (ammonia slip). For this reason a further device must be introduced in the exhaust pipe that is the Ammonia Slip Catalyst (ASC). The dual-layer ASC couples the SCR catalyst with a noble metal-based catalyst (PGM) that allows the complete oxidation of the ammonia towards nitrogen and water. The aim of the present work is the collection of experimental data and their further analysis in order to quantitatively model the behavior of three different catalysts: SCR catalyst, Cu-based ASC, Fe-based ASC. In particular for the two ASCs the set of parameters which allows the best fit of the experimental data was found and for the SCR catalyst only the validation of an already existent model is performed. In order to find the parameters for the two ASC models, different tests were performed in different conditions and a fitting procedure is then conduced. Finally the validation of the SCR catalyst was performed through the comparison between the collected data and the prediction of the already existent model.

Negli ultimi anni, le legislazioni internazionali sono diventate sempre più stringenti riguardo alle emissioni di NOx dai motori a combustione interna. Per rispettare tali leggi, si rendono necessari lo sviluppo e l’applicazione di diverse tecnologie. Per quanto riguarda i motori Diesel, la tecnologia più diffusa per l’abbattimento degli NOx è la riduzione selettiva catalitica (SCR). Tuttavia l’utilizzo della tecnologia SCR implica l’insorgere di problemi ambientali secondari come il bypass dell’ammoniaca attraverso il catalizzatore e la sua successiva immissione in atmosfera (slip di ammoniaca). Per questo motivo è necessario introdurre un altro dispositivo all’interno della marmitta di un automobile: il catalizzatore per lo slip di ammoniaca (ASC). Il catalizzatore ASC è costituito da due strati: uno strato superiore SCR e uno inferiore di metalli nobili (PGM) che consente la completa ossidazione di ammoniaca ad azoto e acqua. L’obiettivo del seguente lavoro è la raccolta di dati sperimentali e la loro successiva analisi al fine di modellare il funzionamento di tre differenti catalizzatori: catalizzatore SCR, catalizzatore ASC a base di rame, catalizzatore ASC a base di ferro. Nello specifico, per i due catalizzatori ASC è stato trovato il set di parametri che consentisse al modello di descrivere al meglio i dati sperimentali, mentre per il catalizzatore SCR è stata effettuata solo la validazione di un modello già esistente. Per poter trovare i parametri del modello per i due catalizzatori ASC sono state effettuate diverse prove sotto diverse condizioni operative ed in seguito, sulla base dei dati raccolti, è stata effettuata una procedura di fitting. Infine, la validazione del modello SCR è stata effettuata raccogliendo dati sperimentali e confrontandoli con le previsioni del modello già esistente.