An integrated modeling approach to investigate performance of selective reduction catalyst

ÖZET (Seçiçi İndirgeyici Katalistlerin Performansının Entegre Modelleme Yaklaşımıyla İncelenmesi)Dizel emisyon gazları partikül, karbon monoxide, NOx içeren çok sağlığa zararlı gazlardır. lBu çalışmanın amacı seçici indigeyici katalist sistemler icin birbiriyle entegre ve çok boyutlu bir modelleme geliştirebilmektir. Bu modelleme tekniği ile katalistlerde yüksek NOx çevrim verimi için gerekli emisyon tahminlerini yapabilecektir. Emisyon tahminin doğruluğunu arttırmak için egzoz sistemindeki 3 boyutlu bütün fiziksel etkiler detaylı bir çalışma ile modellenmiştir. Araştırmacılar farklı üre seçici indirgeyici katalist modellemeleri geliştirmektedir ancak modeller deposit oluşmasının emisyon üzerindeki etkilerini modelleyememektedir. Tezde emisyon taminleri 3 boyutlu sayısal çalışmaları sonucunda secici indirgeyici katalistlerindeki NH3 dağılımlarının bulunması ve üre-kristallerinin birikmesinin sıcaklık ve debiye bağlı haritalaştırılması sayesinde doğru olarak yapılamabilmektedir. Bu sayede daha gelişmiş üre kontrol stratejileri denenebilmekte, seçici indirgeyici katalist boyutlandırmaları ve kimyasal yükleme optimizasyon çalışmaları yapılırken egzoz sistem tasarımları iyileştirilebilmektedir.Seçiçi İndirgeyici Katalist modellemeleri çok sayıda fiziksel modelleme gerektiren karmaşık bir modeleme tekniğidir. Bu modelleme püskürtme, kimyasal modelleme, katı-sıvı arasındaki ısı transferi ve deposit modellemesi içermektedir. Bu fazla sayıda modelleme yaklaşımlarının farklı çalışmalar ile doğrulanması yapılmıştır. Literaturde bulunan temel çalışmalar ile kullandığımız modelleme teknikleri karşılaştırmaları yapılmıştır. Bu sayede geliştirilen modeller gerçek egzoz sisteminin modellenmesinde kullanılmış ve PIV sistemi ile akış ve parçacık doğrulanmaları yapılmıştır.Kurulmuş olan akışkanlar mekaniği laboratuvarımızdan egzoz sisteminin değişik yerlerini termo eleman, basınç ve NOx sensorleri monte edilerek alınan datalar ile sayısal modeli iyileştirilmiştir. Akışkanlar mekaniği laboratuvarı motordan çıkan sıcaklık, hava, NOx debisi simule edilen elektronik kontrol ünitesi ile birlikte çalışan, kontrollu test yapmamızı sağlayan bir laboratuvardır. Üre kristallerin modellemesi karmaşık olduğundan sadece sayısal modelleme teknikleri ile ürenin sistemde birikmesi ve yapısının ne olduğunu tahmin etmek mümkün değildir. Sayısal modellemesi ile sadece ürenin nerede birikebileceği tahmini yapılabilmektedir. Gerçek egzoz sistemine üre injektörünün bulunduğu yerden endoscope ile alınan görüntülerden görüntü işleme teknikleri ile ürenin ne kadar biriktiğinin tahmini yapılabilmektedir. Bu datadan daha sonra üre kristallerinin birikme haritası çıkarılabilmektedir. Üre kristalleri akışkanlar mekaniği laboratuvarında endoscope, quartz camlar ve sayısal ile detaylı incelendikten sonra oluşturulan harita ile 1 boyutlu emisyon modeline verilecek olan datalar düzeltilerek verilmektedir. 1 boyutlu emisyon modeli sayısal gelen düzgün olmayan NH3 dağılımları ve ile emisyon sonuçlarını bulabilmektedir. Bu sonuçlar motordan gelen emisyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır.ABSTRACT (An Integrated Modeling Approach to Investigate Performance of Selective Reduction Catalyst)The emissions of the diesel engines consist of various harmful exhaust gases such as carbon monoxide (CO), particulate matter (PM), hydrocarbon (HC), and nitrogen oxides (NOx). Several technologies have been developed to reduce diesel emissions especially NOx reduction systems in last decades. The most promising NOx emission reduction technologies are exhaust gas recirculation (EGR) system to reduce peak cylinder temperature that reduces NOx form caused by combustion and active selective catalyst reduction (SCR) system using reducing agent such as urea-water-solution for exhaust aftertreatment system.Recent years many different emission reduction application strategies were developed. One of the challenging approach to remove the EGR from engine and design the high NOx conversion efficiency SCR with reducing agent system. Thus the comprehensive SCR modeling approach is required to design compact aftertreatment systems that meet NOx emission legistration level. In the first stage, To develop computational fluid dynamic (CFD) methodology with conjugate heat transfer, spray, deposit and chemical reaction modeling techniques is fundamental work for methodology development. Result of this methology include required parameters to optimize SCR system design.In the second stage 1D emission prediction tool is developed whether the design meet the emission legistlation target. This emission prediction tool should be fast and accurate method with 3D simulation and deposit effect on the SCR system. Before freezing the design of SCR system, emission level of design should be predictable whether further design optimizations or advanced SCR technologies are required. 1D emission tool can predict to different SCR catalyst sizing, and different aftertreatment system layout.Since deposit has a complex phenomogical physics for prediction, in this dissertation deposit modeling is developed in 3D CFD. To predict more accurate deposit prediction, image processing tool was developed in Matlab which uses endoscop camera deposit images. The calculated mass of deposit from matlab was correlated with deposit studies in Flow Test Bench. These results were developed to deposit map which is function of temperature and mass flow rate over all operating conditions by using image processing tool. The main objective of this work is to develop selective catalyst reduction CFD modeling with correction of the deposit map technique to focus on ammonia distribution at the SCR inlet and to observe its influence over NOx reduction process.