Calibration of a Low Temperature Lean NOx Trap model for light-duty diesel engine exhaust aftertreatment applications

Al giorno d’oggi, l’inasprimento dei limiti di inquinanti provenienti da veicoli dotati di motore a combustione interna ha spinto la ricerca nel campo delle tecnologie di post-trattamento dei gas combusti. Le nuove legislazioni hanno posto particolare enfasi nella riduzione degli ossidi di azoto (NOx). Il rispetto dei nuovi standard sulle emissioni di inquinanti richiede l’uso di sistemi complessi, spesso composti da diverse tecnologie catalitiche. In particolare, ha assunto una certa rilevanza lo sviluppo di catalizzatori atti alla riduzione di NOx, quali Selective Catalytic Reduction (SCR) e Lean NOx Traps (LNT). Considerati gli elevati costi e l’elevato dispendio di tempo di un approccio di tipo sperimentale per la progettazione e l’ottimizzazione di questi sistemi, l’utilizzo di modelli di simulazione, con tutti i loro benefici, è considerato una valida alternativa. Questo studio si concentra sullo sviluppo di un modello Low Temperature (LT) LNT 1D, con un approccio cinetico globale che simula le principali reazioni che si verificano sulla superficie del washcoat. Il modello conta quarantuno reazioni, che cercano di descrivere i principali fenomeni chimici che avvengono nel catalizzatore: ossidazione del monossido di carbonio (CO), idrocarburi (HC) e idrogeno (H2), reazioni di water gas shift (WGS) e di steam reforming (SR), conversione di NO in NO2, assorbimento di NOx e O2 e la loro riduzione mediante H2, CO e C3H6. La cinetica del modello è stata calibrata sulla base di diversi esperimenti eseguiti con l’ausilio di un Syntethic Gas Bench (SGB). L'ossidazione di specie ricche è stata studiata mediante esperimenti di Light-Off (LO), in cui una rampa di temperatura permette l’attivazione del campione di catalizzatore. Lo storage dell'ossigeno è stato testato con tests di Oxygen Storage Capacity (OSC), con temperatura costante e alternanza di atmosfere magre e ricche. Il comportamento per quanto riguarda l’assorbimento di NOx è stato valutato tramite esperimenti di Temperature Programmed Desorption (TPD), in cui l'assorbimento isotermo è seguito da una rampa di temperatura fino al completo rilascio delle specie assorbite. Infine, la rigenerazione della trappola è stata testata attraverso esperimenti di NOx Storage and Reduction (NSR), in cui è stata eseguita una serie di cicli magri/ricchi a temperatura costante. Il modello chimico così ottenuto è stato validato sulla base di cicli guida (WLTC e RDE) misurati al banco prova sul componente full-scale.. I risultati della simulazione sottolineano l'applicabilità del modello su un'ampia gamma di condizioni operative, mostrando l'idoneità dell'approccio modellistico scelto. Inoltre, l'analisi dei dati SGB, utilizzati per la calibrazione del modello, ha evidenziato alcuni limiti nella caratterizzazione delle prestazioni del catalizzatore e delle proprietà termiche. Il confronto dei risultati sperimentali di TPD e NSR ha mostrato disaccordo tra i due meccanismi di assorbimento. Queste incongruenze sono principalmente dovute a fenomeni di disattivazione catalitica inattesi, che si verificano durante esperimenti di assorbimento di NOx su ampia scala temporale, come i TPD. L'indagine e la soluzione di questi problemi può essere un buono spunto per ulteriori miglioramenti nelle attività sperimentali SGB svolte con l'obiettivo di ottenere dati ancora più affidabili per la calibrazione di modelli di post-trattamento dei gas di scarico.