AdSCR and EHC: novel technologies to improve deNOx performance of SCR converters in vehicles cold start transients

One of the main challenges of SCR applications on Diesel vehicles for the NOx abatement is the Cold Start Transient, the initial seconds after engine ignition when the after-treatment temperature is lower than 170 °C, i.e. the threshold for the urea decomposition. The absence of ammonia does not allow the reduction of NOx generated during the combustion, leading to their release into the environment. To face this problem, two solutions have been investigated in this thesis work: the AdSCR (Adsorption + Selective Catalytic Reduction) concept and the EHC (Electrically Heated Catalyst) technology. The former consists in a system suitable to capture and store NOx species at low temperatures and to desorb and abate them at higher temperatures when ammonia is available. This is achieved combining a conventional NH3-SCR catalyst (Cu-zeolite) with a typical NOx storage material (BaO/Al2O3), without the presence of noble metals. The configuration adopted in this thesis work is a dual-layer washcoated monolith. Particular attention has been paid to the washcoating process during the preparation phase, in order to minimize the interference between the two layers. The best solution identified is the usage of n-butanol instead of water as solvent. Tests have proved that this new technology can couple a good NOx storage capacity during cold start with the typical Cu-zeolite catalytic NH3-SCR activity. Furthermore, the effect of water in the fed gases and NH3 stored on the AdSCR performance have been studied together with the effect of varying both Cu/CHA and BaO/Al2O3 washcoat loadings. The second technology addressed in the study is the EHC, that includes the usage of a heat source, such as an electric resistance, to warm up a conventional SCR Cu-zeolite catalyst during cold start. Its analysis has been not focused on the heating methods but on the NOx reduction performances which can be achieved by this technology. Tests have been run to assess the catalyst performances and moreover to optimize the operating conditions, identifying temperature and ammonia storage capacities that enable the highest NOx abatement efficiencies.

Una delle principali sfide riguardanti l’applicazione della tecnologia SCR sui veicoli Diesel per l’abbattimento degli NOx è il Cold Start. Questo intervallo coincide con i primi 600 secondi dopo l’accensione del veicolo, quando la temperatura dell’SCR è minore di 170°C, che rappresenta la soglia per la decomposizione dell’urea. L’assenza di ammoniaca non permette la riduzione degli NOx prodotti durante la combustione, portando al loro rilascio direttamente nell’ambiente. Per affrontare questo problema sono state proposte due soluzioni: AdSCR (Adsorption + Selective Catalytic Reduction) e EHC (Electrically Heated Catalyst). La prima consiste in un sistema in grado di catturare e immagazzinare gli NOx a basse temperature e desorbirli e abbatterli ad alte. Tale effetto è garantito combinando un convenzionale catalizzatore NH3-SCR (Cu-zeolite) con un tipico materiale per la cattura degli NOx (BaO/Al2O3), escludendo la presenza di metalli nobili. La configurazione adottata è un monolita dual-layer washcoated. Particolare attenzione è stata posta sulla formulazione dello slurry durante la fase preparativa, con l’obbiettivo di minimizzare le interazioni tra i due strati. La migliore soluzione identificata è l’utilizzo di n-butanolo come solvente al posto dell’acqua. Gli esperimenti hanno provato che questa nuova tecnologia garantisce sia una buona capacità di cattura degli NOx durante il cold start che attività catalitica NH3-SCR tipica dei catalizzatori a base di Cu-zeolite. Inoltre sono stati studiati gli effetti sulla performance del catalizzatore AdSCR della presenza di acqua nei gas esausti, di ammoniaca sui siti del catalizzatore e della variazione del carico di Cu/CHA e di BaO/Al2O3, indipendentemente. La seconda tecnologia considerata nello studio è l’EHC, che include l’utilizzo di una fonte di calore, come una resistenza elettrica, per scaldare un convenzionale catalizzatore SCR Cu-zeolite durante il cold start. Questo studio non è incentrato sulle metodologie di riscaldamento, ma sulle prestazioni ottenute tramite questa tecnologia in termini di riduzione degli NOx. Gli esperimenti sono stati svolti per verificare le performance del catalizzatore e per ottimizzare le condizioni operative mettendo in luce la temperatura e la percentuale di ammoniaca adsorbita che permettono il maggiore abbattimento degli NOx.