CFD SIMULATIONS OF PLATINUM CATALYST FOR REDUCING THE COLD START EMISSIONS WITH APPLICATIONS FOR HEAVY-DUTY COMBUSTION ENGINES

Sammanfattning

Med den globala befolkningen på uppgång ökar efterfrågan på energi. Tyvärr har mycket av denna energi historiskt sett kommit från fossila bränslen, vilket resulterat i betydande utsläpp. Dessa utsläpp, främst kväveoxider (NOx) och växthusgaser (GHG) såsom CO2, utgör allvarliga hot mot både människors hälsa och miljön. Kväveoxider fungerar som primära förstadier till troposfäriskt ozon, vilket påverkar människors lunghälsa och reproduktionscyklerna hos växter. Samtidigt bidrar växthusgaser till växthuseffekten genom att fånga värme i atmosfären och driva på den globala temperaturhöjningen. En av de sektorer som bidrar avsevärt till växthusgasutsläppen är transportsektorn, vilket har lett till allt striktare utsläppsregleringar. För att möta dessa utsläppskrav och minska miljöpåverkan har antagandet av ”Zero Emission Vehicles” (ZEV) framstått som en kritisk lösning. ZEV, som kännetecknas av att de saknar skadliga utsläpp, presenterar lovande alternativ till traditionella förbränningsmotorfordon. Ledande kandidater inkluderar elfordon (EV), bränslecellsfordon (FCV) och fordon med vätgasförbränningsmotorer. Även om elfordon, främst drivna av litiumjonbatterier, har sett betydande framsteg, kvarstår oro kring batteriåtervinning, resursutvinningspraxis och infrastrukturbegränsningar. Väte, erhållet genom elektrolys med hjälp av förnybara energikällor, är särskilt attraktivt som bränsle för ZEV. Bränsleceller, som utnyttjar väte för att driva fordon, producerar endast vatten som biprodukt genom ett membranbaserat batterisystem. Trots deras fördelar utgör tillverkningskostnaden för bränsleceller, på grund av katalysatorer och membran, en barriär för utbredd användning vilket liknar de utmaningar som möts med elbatterier. En alternativ strategi innebär att bygga om befintliga förbränningsmotorer för att drivas med vätgas, vilket resulterar i vatten som enda utsläpp. Även om denna strategi utnyttjar effektiviteten hos traditionella motorer utan modifiering, stöter den på ett hinder vid kallstarter: vätets högre självantändningstemperatur resulterar i en tändningsfördröjning. För att lösa detta problem kan en metod vara att blanda 5% diesel i bränsleblandningen. Detta kompromissar dock med fordonets ZEV-klassificering. Därför innebär en genomförbar lösning att integrera en katalysator före förbränningskammaren. Denna katalysator underlättar en exoterm reaktion genom att introducera en liten mängd vätgas, vilket höjer gastemperaturen för att påskynda tändningen. Denna metod medför dock vissa komplexiteter. Utmaningar inkluderar tryckfall vid full motorbelastning, kostnaden för katalysatormaterial, i detta fall platina (Pt), och att säkerställa tillräcklig temperatur för vätets självantändning inom förbränningskammaren. För att hantera dessa intrikata frågor syftar detta projekt till att utveckla en simuleringsmodell med hjälp av ”Computational Fluid Dynamics” (CFD) för att optimera förhållanden och bedöma genomförbarhet, med hjälp av Converge-programvaran. För att uppnå detta mål modelleras katalysatorns enskilda kanal initialt med ytreaktioner. Processen börjar med flera preliminära undersökningar för att optimera resultaten. En meshstudie genomförs, tillsammans med en diffusionsanalys, som erkänner att vid lägre temperaturer är diffusionens påverkan minimal. Den valda meshstorleken är 3 mm, vilket balanserar simulerings effektivitet med resultatens noggrannhet, eftersom mindre storlekar inte märkbart förbättrar kvaliteten eller mängden av resultat. Diffusionsinställningarna är inställda som Mixed, omfattande Knudsen och Molekylära modeller, vilket säkerställer mångsidighet över temperaturintervall samtidigt som noggrannheten förbättras. Laminärt flöde bekräftas, med Reynolds-tal under 4000. Med modellen konfigurerad utförs en känslighetsanalys för att identifiera kritiska parametrar. Studerade parametrar inkluderar luft: bränsleförhållande (λ), inloppstemperatur (K), kanallängd (mm) och tvärsnittsarea (mm2). Dessutom utförs en faktoriell design för att validera resultaten och underlätta datatolkning. Lovande resultat framkommer, som visar att kallstarter uppnår tillräckliga temperaturer utan betydande tryckfall som kan påverka bränsleeffektiviteten. Luft: bränsleförhållandet framträder som den mest inflytelserika parametern för temperaturökning. Med tanke på vätets kostnadsimplikationer är det dock viktigt att hålla förhållandena på rimliga nivåer. Kanallängden följer som den näst mest påverkande parametern, direkt påverkande vistelsetiden. Det ses också att vid en viss längd uppnås den behövda vistelsetiden och temperaturökningen blir inte lika märkbar, vilket gör längden till en kritisk designövervägning. Kanalens tvärsnittsarea framträder som en annan viktig faktor, som påverkar kontakt mellan vätska och katalysator samt reaktionseffektiviteten. Olika kallstartstemperaturer från -40 till 0 ℃ utvärderas, med resultat som visar termisk stabilitet från -30 ℃ och framåt, där skillnaderna är mer uttalade från -40 ℃. Vid full belastningsdrift observeras tryckfall, vilket kräver bedömning för potentiella bypass-behov. I fall av tryckfall spelar både kanallängd och tvärsnittsarea avgörande roller, direkt påverkan av friktionsförluster. Att balansera kallstartstemperaturskillnad och tryckfall vid full belastning är avgörande, en övervägning som noggrant utforskas och diskuteras inom projektet. Resultaten som visas i detta projekt, i kombination med ytterligare studier för att bidra till att bredda kunskapen och projektets omfattning, visar att användningen av en katalysator förbättrar motorns prestanda, vilket för bränsleförbränningen närmare verklighetens användning av väte som bränsle i förbränningsmotorer.