Soot Distribution and Thermal Regeneration of Marine Diesel Particulate Filter

Particles from marine diesel engine exhaust gas have caused serious air pollution and human health. Diesel particulate filter (DPF) can effectively reduce particle emissions from marine diesel engines. The distribution and regeneration of soot in DPF are two important issues. In this paper, a mathematical model of a marine DPF was built up and the particle trap process and the regeneration dynamics were simulated. The results show that the cake soot mass concentrations during trap process increase linearly with the increase of the exhaust gas flows while the depth soot mass concentrations firstly increase linearly and then keep constant. Soot is mainly concentrated in the front and rear portion of the filter and less soot is in the middle. The soot distribution in the cake and depth layer shows the unevenness during the trap and regeneration process. The initial soot loadings have great effects on pressure drops and soot mass concentrations before regeneration, but little effect after regeneration. The exhaust gas temperature heated to 850 K can achieve 94% efficiency for the DPF regeneration. There is no obvious difference in pressure drops and soot mass concentrations between fast heating and slow heating. The heating duration of exhaust gas has an important impact on DPF regeneration.

Λειτουργία καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων στο καυσαέριο βενζινοκινητήρων

Η τεχνολογία του σωματιδιακού φίλτρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί με σκοπό τη μείωση των σωματιδιακών εκπομπών σε βενζινοκινητήρες. Η εμπειρία η οποία αποκτήθηκε από την επί δεκαετίες μελέτη και χρήση σωματιδιακών φίλτρων για πετρελαιοκινητήρες (DPFs), απέδειξε ότι η μαθηματική μοντελοποίηση των μηχανισμών φιλτραρίσματος, μεταφοράς και αντιδράσεων, μπορεί να διευκολύνει την εις βάθος κατανόηση και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και ελέγχου ενός συστήματος αντιρρύπανσης.Παρά το γεγονός ότι το σωματιδιακό φίλτρο για βενζινοκινητήρες (GPF), το οποίο ξεκίνησε να χρησιμοποιείται τα τελευταία χρόνια, βασίζεται στις ίδιες βασικές αρχές φιλτραρίσματος και αντιδράσεων, υπόκειται σε πολύ διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας από ότι ένα DPF. Λόγω των πολύ χαμηλότερων σωματιδιακών εκπομπών ενός κινητήρα βενζίνης σε σύγκριση με έναν πετρελαιοκινητήρα, οι μηχανισμοί διήθησης βαθιάς κλίνης μέσα στο τοίχωμα, αποκτούν εξαιρετική σημασία. Οι συνθήκες αναγέννησης του GPF είναι επίσης εγγενώς διαφορετικές και ικανοποιούνται κατά βάση μόνο όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι αρκούντως υψηλή, κατά τη διάρκεια των περιοχών διακοπής της παροχής καυσίμου, όπου υπάρχει υψηλή διαθεσιμότητα Ο2. Επιπρόσθετα, η καταλυτική επίστρωση στην περίπτωση ενός καταλυτικού GPF (cGPF), μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση φιλτραρίσματος, την πτώση πίεσης και τη διαδικασία αναγέννησής του. Ως αποτέλεσμα, υπήρχε η ανάγκη μελέτης όλων των πτυχών της λειτουργίας του (c)GPF, σχεδόν από την αρχή. Σε αυτήν την εργασία παρουσιάζεται μια συστηματική πειραματική και υπολογιστική μεθοδολογία μοντελοποίησης, με στόχο την εις βάθος κατανόηση, την ποσοτικοποίηση και την εξήγηση των υποκείμενων μηχανισμών οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε ένα cGPF, καθώς και των αλληλεπιδράσεων των λειτουργιών GPF και TWC.Αρχικά παρουσιάζονται οι αέριες και στερεές εκπομπές ενός κινητήρα βενζίνης, τα σχετικά νομοθετημένα όρια, καθώς και οι θεμελιώδεις αρχές οι οποίες διέπουν τη λειτουργία των καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι μηχανισμοί φιλτραρίσματος και πτώσης πίεσης οι οποίοι λαμβάνουν χώρα σε ένα GPF σε αφόρτιστη και σωματιδιακά φορτισμένη κατάσταση, καθώς και οι μαθηματικές εξισώσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίησή του. Έμφαση δίνεται στην κατανομή της ροής κατά μήκος των καναλιών εισόδου, εξόδου, καθώς και διαμέσου του τοιχώματος ενός αφόρτιστου ή σωματιδιακά φορτισμένου φίλτρου.Στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση της θερμοκρασίας, της παροχής μάζας, της πυκνότητας των σωματιδίων, της δομής των καναλιών, της μικρο-δομής του τοιχώματος, της καταλυτικής επίστρωσης και της σωματιδιακής φόρτισης στην απόδοση φιλτραρίσματος και στην πτώση πίεσης, βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων δεκατριών διαφορετικών καταλυτικών και μη GPFs. Η επίπτωση μιας μη ομοιόμορφης αξονικής κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην αξονική κατανομή της ροής και συνεπακόλουθα στην αξονική κατανομή της αιθάλης, εξετάζεται υπολογιστικά και επαληθεύεται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων της αξονικής σωματιδιακής συσσώρευσης. Έχοντας ρυθμίσει τις παραμέτρους διήθησης και διαπερατότητας ενός σημαντικού αριθμού υποστρωμάτων, προέκυψαν συσχετίσεις μεταξύ αυτών των παραμέτρων και της τοπικής ποσότητας καταλυτικής επίστρωσης του τοιχώματος. Τέτοιες συσχετίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προγνωστικά εργαλεία, με σκοπό τη μείωση του σχετικού χρόνου και κόστους σχεδιασμού και ανάπτυξης συστημάτων αντιρρύπανσης.Στην περίπτωση καταλυτικών σωματιδιακών φίλτρων, οι μηχανισμοί των αντιδράσεων στο τοίχωμα επηρεάζονται από τους μηχανισμούς διάχυσης. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, παρουσιάζεται η καταλυτική δραστικότητα και οι περιορισμοί εσωτερικής διάχυσης δύο cGPFs και διερευνώνται οι αλληλεπιδράσεις οι οποίες πηγάζουν από την ενσωμάτωση των λειτουργιών TWC και GPF σε μοναδικό μονόλιθο. Αρχικά καταγράφονται οι καταλυτικές αντιδράσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα και ακολουθούν τα στοχευμένα πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό, τη ρύθμιση και την πιστοποίηση των σχετικών μηχανισμών. Η επίδραση της ανομοιόμορφης κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην αξονική διεύθυνση και της σωματιδιακής συσσώρευσης στη μετατροπή των αερίων ρύπων, αξιολογείται μέσα από δύο υπολογιστικές διερευνήσεις.Όσον αφορά στην αναγέννηση του GPF, αναγνωρίζονται και συζητούνται όλοι οι πιθανοί (με O2, NO2, H2O και CO2) μηχανισμοί οξείδωσης της αιθάλης. Στη συνέχεια μελετάται η επίδραση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης Ο2 στην οξείδωση της αιθάλης, καθώς και η σχετική διαδικασία παραμετροποίησης. Υπογραμμίζεται επίσης η καταλυτική επίδραση των μη ανθρακούχων συστατικών τέφρας στην οξείδωση της αιθάλης, καθώς και η αυξημένη σημασία αυτής για εφαρμογές βενζίνης έναντι εφαρμογών πετρελαίου.Τελικά, τα μοντέλα οξείδωσης αιθάλης, φιλτραρίσματος σωματιδίων, πτώσης πίεσης, αντιδράσεων TWC και διάχυσης αερίων στοιχείων πιστοποιούνται υπό τις έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες κύκλων οδήγησης, στους οποίους λαμβάνει ταυτόχρονα χώρα σωματιδιακή φόρτιση και οξείδωση αιθάλης. Χρησιμοποιώντας πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα, αναλύεται η επίδραση που έχει η τοποθέτηση του φίλτρου στην εξάτμιση (υποδαπέδια (Under-Floor, UF) ή κοντά στον κινητήρα (Close-Coupled, CC)) στην ικανότητα αναγέννησης και στην απόδοση φιλτραρίσματός του. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται υπολογιστική διερεύνηση αναφορικά με το ενδεχόμενο πιο αργής αναγέννησης ενός καταλυτικού έναντι ενός μη καταλυτικού GPF όμοιων χαρακτηριστικών, εξαιτίας του μηχανισμού της εμπρόσθιας διάχυσης O2 από το σχηματισμένο στρώμα αιθάλης προς το καταλυτικό τοίχωμα.Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, πέρα από μη καταλυτικά και συμβατικά επικαλυμμένα τοιχώματα, μελετάται και η απόδοση μιας καινοτόμου τεχνολογίας, στην οποία το μεγαλύτερο τμήμα της καταλυτικής επίστρωσης είναι τοποθετημένο πάνω στην επιφάνεια του τοιχώματος. Συγκρίνοντας αυτήν την τεχνολογία με συμβατικά GPFs ίδιας γεωμετρίας και δομής καναλιών υπό σταθερές αλλά και έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες, καθίσταται εμφανής η υψηλή απόδοση φιλτραρίσματος και η ταυτόχρονα πολύ χαμηλή πτώση πίεσής της.Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση της συσσώρευσης τέφρας και των σχετικών τρόπων εναπόθεσής της (τέφρα τοιχώματος, στρώματος και βύσματος) στην απόδοση ενός σωματιδιακού φίλτρου, αξιοποιώντας τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά αποτελέσματα. Αρχικά παρουσιάζονται οι φυσικοί μηχανισμοί οι οποίοι λαμβάνουν χώρα, μαζί με τα μαθηματικά μοντέλα τα οποία αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη της συσσώρευσης, συσσωμάτωσης και μεταφοράς τέφρας. Έπειτα, τα μοντέλα ρυθμίζονται βάσει πειραματικών δεδομένων πτώσης πίεσης, φιλτραρίσματος και μήκους τέφρας βύσματος. Τέλος, διενεργούνται δύο υπολογιστικές διερευνήσεις, προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση της κατανομής της τέφρας ως προς την ικανότητα μετατροπής των αερίων ρύπων και ως προς τη μέγιστη αποδεκτή φόρτιση του τοιχώματος με αιθάλη (Soot Mass Limit, SML).Δεδομένης της πολυπλοκότητας και του απαιτούμενου χρόνου και κόστους για την πραγματοποίηση πειραματικών μελετών, υπογραμμίζεται η μεγάλη σημασία της ανάπτυξης και χρήσης σχετικών μαθηματικών μοντέλων. Στην προκειμένη περίπτωση, όλα τα αποτελέσματα της εργασίας υποστηρίχθηκαν από τα μαθηματικά μοντέλα των εμπορικών λογισμικών axisuite® και exothermia-suite®.

Assessing relative contributions of PAHs to soot mass by reversible heterogeneous nucleation and condensation

Given the recent EURO 6 regulations, which include limits on particle number density (and hence size) for soot emissions from land vehicles, soot models must be capable of accurately predicting soot particle sizes. Previous modeling work has demonstrated the importance of the relative strengths of nucleation and condensation in predicting soot primary particle size. Due to this importance, a fundamental reversible model for nucleation and condensation, called the reversible PAH clustering (RPC) model, was developed in previous work through the use of statistical mechanics and the results from several recent works. In the present work, the RPC model is enhanced to include multiple nucleation (or dimerization) events from 6 different PAH size groups, resulting in 21 unique dimer pairs. In addition, a soot PAH tracking model is developed to track the amount of each PAH size group within soot particles. The addition of this model resulted in reduced computation times and the ability to investigate PAH-PAH reactions within soot particles. The results of the enhanced RPC model demonstrate that smaller PAHs are most important for the nucleation process, while small and large PAHs are important for the condensation process. These results are shown to be due to the relatively lower reversibility of condensation versus the nucleation process. These findings are discussed in light of recent experimental results in the literature and are shown to be well supported. Keywords: reversibility, PAH nucleation, PAH condensation, laminar diffusion flame, soot model

Assessing relative contributions of PAHs to soot mass by reversible heterogeneous nucleation and condensation

Given the recent EURO 6 regulations, which include limits on particle number density (and hence size) for soot emissions from land vehicles, soot models must be capable of accurately predicting soot particle sizes. Previous modeling work has demonstrated the importance of the relative strengths of nucleation and condensation in predicting soot primary particle size. Due to this importance, a fundamental reversible model for nucleation and condensation, called the reversible PAH clustering (RPC) model, was developed in previous work through the use of statistical mechanics and the results from several recent works. In the present work, the RPC model is enhanced to include multiple nucleation (or dimerization) events from 6 different PAH size groups, resulting in 21 unique dimer pairs. In addition, a soot PAH tracking model is developed to track the amount of each PAH size group within soot particles. The addition of this model resulted in reduced computation times and the ability to investigate PAH-PAH reactions within soot particles. The results of the enhanced RPC model demonstrate that smaller PAHs are most important for the nucleation process, while small and large PAHs are important for the condensation process. These results are shown to be due to the relatively lower reversibility of condensation versus the nucleation process. These findings are discussed in light of recent experimental results in the literature and are shown to be well supported. Keywords: reversibility, PAH nucleation, PAH condensation, laminar diffusion flame, soot model

Quantitative investigation on the impact of injection timing on soot formation in a GDI engine with a customized sectional method

Soot engine-out emissions are no longer a prerogative of Diesel engines. Emission regulations related to Gasoline units aim to curb the soot emissions along with other pollutants. In this scenario, Computational Fluid Dynamics (CFD) is a very promising research and development tool to explore the influence of engine design and operational parameters, as well as of the fuel chemical nature, on the particulate matter formation. Among the soot models, the Sectional Method is an advanced resource to provide information on Particle Number, Particulate Mass and Particle Size Distribution. In this study, the Sectional Method is applied in conjunction with a customized soot library, where the source terms governing the soot sections transport equations are stored. The library is computed via chemical kinetics simulation of a 0D constant pressure reactor, which provides fuel-related coefficients for each individual source term over the entire range of conditions experienced by the 3D-CFD model. 3D-CFD simulations are then carried out for three different injection timings without case-by-case tuning. Numerical results are then compared to the experimental dataset by using a consistent methodology. A satisfactory agreement between 3D-CFD results and experimental measurements is reached for soot mass and particle numbers, while the particle size distribution function is only partially reproduced. Soot-related quantities are thoroughly analyzed for each of the examined injection strategies to understand the mechanisms leading to soot formation and emissions.

Study on GPF regeneration factors and extreme environmental regeneration methods

In order to cope with the increasingly stringent environmental pollution control target, DI gasoline engines must use particulate filters. In order to ensure that GPF will not block or burn during the process of capturing particulate, the gasoline particulate filter (GPF) needs to be controlled based on current soot mass in real time. The loading capacity controls the regeneration of GPF, and the influencing factors of the regeneration efficiency are highly related to the GPF inner temperature, the amount of oxygen, and the soot loading of the GPF carrier. This paper analyzes the weight of the influencing factors of each consumption rate through mathematical methods, and from real test, it can be seen that there is difficult on regeneration of accumulated soot in low-temperature environments on under floor GPF. In this paper, in the test and inspection of low temperature environment, considering the drivability, the regeneration control scheme is clarified by optimizing the active control, and at the same time, the driving mode of extreme conditions is also required.