Numerical Modeling Study of Detailed Gas Diffusivity into Catalyst Washcoat for Lean NOx Catalyst
論文掲載先
SAE Technical Paper : 2019-01-0993
https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2019-01-0993/
著者
Osami Yamamoto , Yuichi Matsuo , Shinichi Tosa , Tatsuya Okayama - Honda R&D Co., Ltd.
Zhiwei Zhang , John Tolsma - RES Group Inc
Abstract
Lean burn technology is an approach for increasing the fuel efficiency of internal combustion engines. The technology often employs NOx Storage Catalysts(NSC) in contrast to three-way catalysts. However, since NSCs require thicker washcoats, there are concerns that mass transfer limitations will result in insufficient purification performance for a given mass of catalyst. To increase the performance, it is necessary to control the pore properties of the washcoat, including particle diameter, macro and meso pore diameters, and others. In this study, an elementary reaction model was combined with a pseudo-2D diffusion model to describe both the reaction kinetics and mass transfer. The calibrated model was utilized to design pore parameters in order to increase the performance. Kinetic rate constants of the NSC reaction model were described by Arrhenius equations and the gas diffusion equations of macro and meso pores were described by a pseudo-2D model. The kinetic model was composed of 24 reactions. Arrhenius parameters were optimized by catalytic activity measurements from 6 catalysts with different pore properties. Good agreement was achieved between the measured and calculated values. Using the calibrated reaction model combined with the pseudo-2D diffusion model, a sensitivity analysis for NOx concentration was performed to identify key parameters of the NSC.
In summary, parameters with the highest sensitivity were the loading amount and particle diameter of NOx storage material, CeO2, and washcoat thickness. Consequently, to increase the NOx storage performance, these parameters should be increased. With these changes, the number of NOx storage sites will be increase, and the gaseous NOx will easily move to the catalyst surface and into the storage site of meso pore. Therefore, it will lead to better performance. This prediction is supported by previous experimental reports, demonstrating the constructed model can be utilized for the design of pore parameters of catalyst washcoats.
希薄燃焼技術は、内燃機関の燃料効率を高めるための手法である。この技術ではは、三元触媒ではなく、しばしばＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＣ）を使用する。
しかしながら、ＮＳＣはより厚いウォッシュコートを必要とするので、物質移動の制限が所与の質量の触媒に対して不十分な浄化性能をもたらすことになるという懸念がある。
性能を向上させるためには、粒子径、マクロ細孔径およびメソ細孔径等を含む、ウォッシュコートの細孔特性を制御することが必要である。
本研究では、反応速度論と物質移動の両方を記述するために、素反応モデルを疑似2D拡散モデルと組み合わせました。性能を向上させるために、較正モデルを利用して細孔パラメータを設計した。
NSC反応モデルの速度論的速度定数はアレニウス方程式によって記述され、そしてマクロおよびメソ孔のガス拡散方程式は疑似2Dモデルによって記述された。速度論モデルは24の反応から構成された。アレニウスパラメータは、異なる細孔特性を有する６つの触媒からの触媒活性測定によって最適化された。測定値と計算値の間で良好な一致が達成された。擬似２Ｄ拡散モデルと組み合わせた較正反応モデルを使用して、ＮＯｘ濃度についての感度分析を実施して、ＮＳＣの重要なパラメータを同定した。
要約すると、最も高い感度を有するパラメータは、ＮＯｘ吸蔵材料のコート量および粒径、ＣｅＯ ２、ならびにウォッシュコート厚さであった。したがって、ＮＯｘ吸蔵性能を高めるためには、これらのパラメータ（ＮＯｘ吸蔵材料のコート量および粒径、ＣｅＯ ２、ならびにウォッシュコート厚さ）を大きくしなければならない。これらの変化と共に、ＮＯｘ貯蔵サイトの数は増加し、そしてガス状ＮＯｘは触媒表面へ、そしてメソ細孔の貯蔵サイトへ容易に移動するであろう。そのため、パフォーマンスが向上します。この予測は以前の実験報告によって支持されており、構築モデルが触媒ウォッシュコートの細孔パラメータの設計に利用できることを実証している。
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