ASC dual-layer after-treatment catalyst for NOx abatement in natural gas engine vehicles : experimental and modeling analysis of Pt content and ageing effects

Natural gas fueled heavy duty vehicles typically incorporate in the combustion gases after-treatment system Three Way Catalyst (TWC) technologies to limit unburned HC, CO and NOX emissions. However, this catalyst may lead to ammonia formation, which is a dangerous pollutant extremely regulated by environmental issues. To deal with ammonia emissions, a potential solution is adding to the after-treatment system downstream the TWC system a dedicated SCR converter: NOX still present in the exhaust gas stream will react with the ammonia produced on the TWC system, resulting in both limiting the overall NH3 slip and improving the after-treatment NOX abatement capacity (Passive SCR process). The most promising catalytic component for this additional Passive SCR converter is represented by the ASC catalyst. The ASC is a dual-layer configuration catalyst composed by an external SCR layer, which the main purpose is to abate NOx content and enhance N2 selectivity, and a PGM inner layer, that can convert ammonia through ammonia oxidation. This thesis work has as objective to study the performance of different ASC catalyst samples provided by the commercial partner FPT, focusing on the analysis of selectivity and reactivity. The experimental campaign was programmed and performed to deeply investigate the performance of these materials under engine cold start and hot working engine operating conditions. Additionally, it was evaluated the effect of Platinum content of the PGM layer, as well as the ageing process of the catalyst, in terms of ammonia abatement and NOx release. Finally, it was proposed and developed a model able to successfully simulate the experimental results, focusing on the understanding and fitting of kinetic parameters.

I veicoli pesanti alimentati a gas naturale in genere incorporano nel sistema di post-trattamento dei gas di combustione tecnologie a tre vie catalizzatore (TWC) per limitare le emissioni incombusti di HC, CO e NOx. Tuttavia, questo catalizzatore può portare alla formazione di ammoniaca, che è un inquinante pericoloso estremamente regolato da problemi ambientali. Per far fronte alle emissioni di ammoniaca, una potenziale soluzione sta aggiungendo al sistema di post-trattamento a valle del sistema TWC un convertitore SCR dedicato: il NOx ancora presente nel flusso dei gas di scarico reagirà con l'ammoniaca prodotta sul sistema TWC, con conseguente limitazione del slittamento complessivo di NH3 e miglioramento della capacità di abbattimento degli NOX post-trattamento (processo SCR passivo). Il componente catalitico più promettente per questo ulteriore convertitore SCR passivo è rappresentato dal catalizzatore ASC. L'ASC è un catalizzatore di configurazione a doppio strato composto da uno strato SCR esterno, il cui scopo principale è ridurre il contenuto di NOx e migliorare la selettività di N2, e uno strato interno PGM, che può convertire l'ammoniaca attraverso l'ossidazione dell'ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha l'obiettivo di studiare le prestazioni di diversi campioni di catalizzatore ASC forniti dal partner commerciale FPT, concentrandosi sull'analisi di selettività e reattività. La campagna sperimentale è stata programmata ed eseguita per studiare a fondo le prestazioni di questi materiali in condizioni di avviamento a freddo del motore e condizioni di funzionamento del motore a caldo. Inoltre, è stato valutato l'effetto del contenuto di platino dello strato PGM, nonché il processo di invecchiamento del catalizzatore, in termini di abbattimento dell'ammoniaca e rilascio di NOx. Infine, è stato proposto e sviluppato un modello in grado di simulare con successo i risultati sperimentali, concentrandosi sulla comprensione e l'adattamento dei parametri cinetici.