1D Modelling of SCR catalysts based on traditional and innovative substrate technologies

The strict evolution of emission regulations requires the continuous development of advanced exhaust after-treatment systems. Among the emerging technologies, Periodic Open Cellular Structures (POCS) represent a promising alternative to traditional honeycomb substrates, offering enhanced mass and heat transfer capabilities. This thesis focuses on the implementation and analysis of an SCR POCS catalyst within GasDyn, a 1D thermo-fluid dynamic simulation software for internal combustion engines. The core of this work involves the extension of the GasDyn code to include a novel POCS model, designated as MCPE. This implementation also improves specific reaction models for Copper-Chabazite (Cu-CHA) and Copper-Zeolite (Cu-Zeo) catalysts and introduces a refined geometric channel model. The latter allows for the accurate calculation of surface areas and volumes required for heat transfer analysis, enabling a direct comparison between standard monoliths and foam-based structures. The validity of the reaction model was assessed through a rigorous comparison with experimental data from Laboratory of Catalysis and Catalytic Processes (LCCP) of Politecnico di Milano. Specifically, the simulation results were validated against washcoat data for Cu-Chabazite and Zeolite formulations, as well as real-world data for Cu-Zeolite catalysts, demonstrating predictive accuracy. Finally, the potential of the developed tool was demonstrated in a case study concerning a Hydrogen Internal Combustion Engine (H2-ICE). A comparative analysis was performed between a standard channel-based SCR and the POCS-based SCR. The results highlight the differences in performance and efficiency, providing insights into the viability of POCS substrates for future low pollution propulsion systems.

La rigorosa evoluzione delle normative sulle emissioni richiede il continuo sviluppo di sistemi avanzati di post-trattamento dei gas di scarico. Tra le tecnologie emergenti, le strutture cellulari aperte periodiche (POCS - Periodic Open Cellular Structures) rappresentano una promettente alternativa ai tradizionali substrati a nido d'ape, offrendo migliori capacità di trasferimento di massa e di calore. Questa tesi si concentra sull'implementazione e sull'analisi di un catalizzatore SCR basato su POCS all'interno di GasDyn, un software di simulazione termofluidodinamica 1D per motori a combustione interna. Il fulcro di questo lavoro riguarda l'estensione del codice GasDyn per includere un nuovo modello POCS, denominato MCPE. Questa implementazione migliora inoltre i modelli di reazione specifici per i catalizzatori Rame-Chabasite (Cu-CHA) e Rame-Zeolite (Cu-Zeo) e introduce un modello geometrico di canale perfezionato. Quest'ultimo permette il calcolo accurato delle aree superficiali e dei volumi necessari per l'analisi del trasferimento di calore, consentendo un confronto diretto tra i monoliti standard e le strutture a schiuma. La validità del modello di reazione è stata valutata attraverso un rigoroso confronto con i dati sperimentali del Laboratorio di Catalisi e Processi Catalitici (LCCP) del Politecnico di Milano. Nello specifico, i risultati della simulazione sono stati validati rispetto ai dati sperimentali del washcoat per le formulazioni Cu-Cabasite e Zeolite, nonché rispetto a dati reali per i catalizzatori Cu-Zeolite, dimostrandone l'accuratezza predittiva. Infine, le potenzialità dello strumento sviluppato sono state dimostrate in un caso studio riguardante un motore a combustione interna a idrogeno (H2-ICE). È stata condotta un'analisi comparativa tra un sistema SCR standard a canali e un sistema SCR basato su POCS. I risultati evidenziano le differenze in termini di prestazioni ed efficienza, fornendo utili indicazioni sull'applicabilità dei substrati POCS per i futuri sistemi di propulsione a basse emissioni.