Advanced modelling of a SCR Cu-zeolite diesel exhaust after treatment system for NH3 and NOX abatement

In the last few years, increasingly stringent limitations have been introduced on nitrogen oxides emissions from Diesel engines powering heavy-duty and light-duty road vehicles. The optimization of the combustion process cannot guarantee anymore the compliance with the newest emission standards; therefore the after-treatment of the exhausts has become mandatory. Selective Catalytic Reduction (SCR) with ammonia has been proved to be the most effective technology for NOx abatement for on-board applications. The complexity of the reaction environment makes the modelling of such technology quite complicated especially during transient conditions, which are typical of operating diesel engines. The purposes of this work, fostered by FPT Industrial, are the development of two calibrated transient models for a commercial Cu-Zeolite SCR catalyst and the setup of a fitting strategy to calibrate their parameters using experimental kinetic data obtained over monolith catalyst samples. Both models have been developed using the commercial software Exothermia Axisuite® starting from reaction schemes reported in literature and fitting their kinetic parameters to data collected in dedicated experimental campaigns. The first model is named “global model” and is capable to predict the catalyst activity under steady state conditions with a relatively low computational cost. The second model, defined as “detailed model”, yields good predictions of SCR catalytic activity both under steady-state and transient conditions, in a similar computational time. The calibrated model predictions are in good agreement with the experimental data, collected for a variety of different reacting systems (NH3/O2, NO/O2, NH3/ NO/O2, NH3/ NO/NO2/O2). In the last part of the present work the differences between the two models predictions in transient conditions are highlighted, demonstrating that the detailed model is more suitable to on-board applications of the SCR technology due to its better accordance to the experimental data.

Negli ultimi anni sono state introdotte normative sempre più stringenti per regolamentare le emissioni dai motori Diesel di veicoli leggeri e pesanti. La sola ottimizzazione del processo di combustione non può più garantire l’ottemperanza agli standard di emissione, pertanto si è dimostrata necessaria l’introduzione di sistemi di trattamento dei gas di scarico. La tecnologia di Riduzione Catalitica Selettiva (SCR) con ammoniaca come agente riducente è stata dimostrata essere la più efficace riguardo l’abbattimento degli NOx per applicazioni mobili. Tuttavia, la complessità dell’ambiente di reazione rende la modellazione di tale tecnologia molto complicata, specialmente in condizioni dinamiche, tipiche dei motori diesel. Gli scopi di questo lavoro, promosso da FPT Industrial, sono lo sviluppo di due modelli calibrati per catalizzatori SCR commerciali a base di Cu-zeoliti ed il setup di una strategia di fitting che permetta il tuning dei relativi parametri cinetici utilizzando i dati sperimentali ottenuti da esperimenti su di un campione di catalizzatore. Entrambi i modelli sono stati sviluppati utilizzando il software commerciale Exothermia Axisuite®, partendo da schemi cinetici già presenti in letteratura ed elaborando il fitting di tutti i parametri presenti sui dati raccolti nelle relative campagne sperimentali. Il primo modello è denominato “modello globale” ed è capace di predire l’attività catalitica in condizioni stazionarie con un costo computazionale relativamente basso. Il secondo, definito come “modello dettagliato”, fornisce buone predizioni dell’attività catalitica sia in condizioni di steady-state che di transitorio, utilizzando un tempo computazionale simile. I risultati delle predizioni dei modelli sono in buon accordo con i dati sperimentali, raccolti in diverse condizioni sperimentali (NH3/O2, NO/O2, NH3/ NO/O2, NH3/ NO/NO2/O2). Nella parte finale di questo lavoro sono illustrate le differenze tra le previsioni dei due modelli in condizioni dinamiche, dimostrando che il modello dettagliato è il più adatto dei due ad essere utilizzato per applicazioni on-board della tecnologia SCR a causa della sua migliore attinenza ai dati sperimentali.