Englische Übersetzung des Titels: Detailed Modeling of Automotive Catalytic Converters

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der chemisch und physikalisch fundierten Modellierung und numerischen Simulation der Abgaskonversion in einem Wabenkanal monolithischer Abgaskatalysatoren. Zur Beschreibung der auftretenden chemischen Reaktionen wird ein elementarkinetischer Ansatz gewählt. Der Stofftransport im Kanal wird durch detaillierte Modelle für den Transport in der Gasphase und im Washcoat beschrieben. Es werden unterschiedliche Transportmodelle miteinander verglichen, die sich im Detaillierungsgrad und Rechenzeitbedarf unterscheiden. Als Katalysatorsystem wird zunächst Pt/Al2O3 betrachtet. Es werden die Elementarreaktionen und dazugehörigen Geschwindigkeitsparameter des Reaktionssystems C3H6, CO, CO2, NO, NO2, N2O, N2, O2 auf Platin unter mageren Bedingungen zusammengestellt. Das erstellte Gesamtmodell wird anhand experimenteller Daten validiert und zur Simulation der HC-SCR auf Pt/Al2O3 eingesetzt. Mithilfe der Simulationsergebnisse werden die Umsatzverläufe erklärt und die relevanten Transportprozesse identifiziert. In einem zweiten Schritt wird der erstellte Reaktionsmechanismus auf Platin um Oberflächenreaktionen von NO, CO und O2 auf Rhodium erweitert. Dieser erweiterte Reaktionsmechanismus wird zur Simulation eines kommerziellen 3-Wege-Katalysators verwendet. Der Vergleich zwischen Simulationsergebnissen und gemessenen Werten zeigt eine gute quantitative Übereinstimmung, lediglich für sehr fette Gemischzusammensetzungen ergibt sich eine größere Abweichung. Die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment bestätigt die Übertragbarkeit des Platin-Reaktionsmechanismus auf verschiedene Katalysatorsysteme und Reaktionsbedingungen. Die Simulationsergebnisse zeigen die Wechselwirkung zwischen dem Bedeckungszustand der katalytischen Oberfläche und dem Umsatzverhalten im Kanal auf.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

The present study deals with the chemical and physical based modeling and numerical simulation of a single channel in a catalytic monolith of an automotive catalytic exhaust converter. The chemical reactions are described by an elementar-kinetic approach and the transport phenomena are described by detailed transport models for the gas phase and the washcoat. Different transport models are compared in this study in order to identify their limitations. The first investigated catalyst in this study is Pt/Al2O3. A surface mechanism consisting of elementary reactions as well as the corresponding rate constants for the reaction system C3H6, CO, CO2, NO, NO2, N2O, N2, O2 on platinum under lean conditions are put togehther. The complete model is validated against experimental data and used for the simulation of the HC-SCR on Pt/Al2O3. The behaviour of the conversion rates are investigated as well as the relevant transport processes are identified. In a second part of the present study surface reactions for NO, CO and O2 on rhodium are added to the reaction mechanism on platinum. This extended reaction mechanism is used for the simulation of a commerical 3-way-catalytic converter. The comparison between simulations and experimental data reveals a good quantitative agreement, only for very rich mixtures deviations can be seen. The good agreement between simulation and experiment confirms the validity of the platinum mechanism under changing reaction conditions and catalyst systems. The interaction between surface coverage and the behaviour of the conversion rates are revealed by the simulation results.