Numerical investigation of the impact of washcoat distribution on the filtration performance of gasoline particulate filters

Belot, Igor; Vidal, David; Votsmeier, Martin; Hayes, Robert E.; Bertrand, François

doi:10.1016/j.ces.2020.115656

Cited by 25 publications

(13 citation statements)

References 71 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Recently a number of three-dimensional computational models of filter porous walls was proposed, see e.g. [7,8].…”

Section: Algorithm Behaviormentioning

confidence: 99%

A Parallel Algorithm for Flux-Based Bounded Scalar Re-distribution

Isoz¹,

Plachá²

2022

Topical Problems of Fluid Mechanics 2022

View full text Add to dashboard Cite

Let us assume a bounded scalar function ? : Q = I × ? ? ?0, 1?, I ? R, ? ? R3, where Q is an open bounded domain and its discrete counterpart ?h defined on a computational mesh Qh = Ih × ?h. The problem of redistribution of ?h over ?h ensuring the scalar boundedness while maintaining the invariance of R ?h ?h dV is surprisingly frequent within the field of computational fluid dynamics (CFD). The present contribution is motivated by the case arising from coupling Lagrangian particle tracking and particle deposition within ?h with Eulerian CFD computation. We propose an algorithm for ?h redistribution that is (i) based on fluxes over the computational cells faces, i.e. suitable for finite volume (FV) computations, (ii) localized, meaning that a cell ?h P with ?hP > 1 affects only its closest neighbors with ?h < 1, and (iii) designed for parallel computations leveraging the standard domain decomposition methods.

show abstract

“…Recently a number of three-dimensional computational models of filter porous walls was proposed, see e.g. [7,8].…”

Section: Algorithm Behaviormentioning

confidence: 99%

A Parallel Algorithm for Flux-Based Bounded Scalar Re-distribution

Isoz¹,

Plachá²

2022

Topical Problems of Fluid Mechanics 2022

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Literature studies have applied computational fluid dynamics (CFD) to micro-CT volumes of fresh filters to simulate filtration efficiency [ 4 , 5 ] and other processes [ 6 , 7 , 8 , 9 ]. However, pore scale image-based simulations are yet to incorporate the transient nature of the pore structure caused by continuous PM deposition with experimental data.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

“…However, pore scale image-based simulations are yet to incorporate the transient nature of the pore structure caused by continuous PM deposition with experimental data. Models have simulated the 3D build-up of deposit [ 5 , 10 , 11 , 12 ], however this method for generating the deposit phase is yet to be directly validated by experiments observing the deep bed and pore scale build up of deposit overtime. This is a gap in the literature.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

4D In-Situ Microscopy of Aerosol Filtration in a Wall Flow Filter

et al. 2020

View full text Add to dashboard Cite

The transient nature of the internal pore structure of particulate wall flow filters, caused by the continuous deposition of particulate matter, makes studying their flow and filtration characteristics challenging. In this article we present a new methodology and first experimental demonstration of time resolved in-situ synchrotron micro X-ray computed tomography (micro-CT) to study aerosol filtration. We directly imaged in 4D (3D plus time) pore scale deposits of TiO2 nanoparticles (nominal mean primary diameter of 25 nm) with a pixel resolution of 1.6 μm. We obtained 3D tomograms at a rate of ∼1 per minute. The combined spatial and temporal resolution allows us to observe pore blocking and filling phenomena as they occur in the filter’s pore space. We quantified the reduction in filter porosity over time, from an initial porosity of 0.60 to a final porosity of 0.56 after 20 min. Furthermore, the penetration depth of particulate deposits and filtration rate was quantified. This novel image-based method offers valuable and statistically relevant insights into how the pore structure and function evolves during particulate filtration. Our data set will allow validation of simulations of automotive wall flow filters. Evolutions of this experimental design have potential for the study of a wide range of dry aerosol filters and could be directly applied to catalysed automotive wall flow filters.

show abstract

“…συνεπάγεται επίσης θετική επίδραση στην απόδοση φιλτραρίσματος ενός σωματιδιακού φίλτρου, αν και αναφορικά με την επίδραση της καταλυτικής επίστρωσης, έχει τεκμηριωθεί και η αντίθετη τάση(Liu, X., et al, 2018),(Belot, I., et al, 2020).Έχοντας βρει τους συντελεστές φιλτραρίσματος τοιχωμάτων ίδιας βασικής (προ επικάλυψης) μικροδομής, εξάχθηκαν μαθηματικές συσχετίσεις αυτών ως προς την τοπική φόρτιση του τοιχώματος με καταλυτική επίστρωση. Οι συσχετίσεις αυτές μπορούν να λειτουργήσουν ως προγνωστικό εργαλείο των παραμέτρων φιλτραρίσματος ενός αφόρτιστου ή σωματιδιακά φορτισμένου φίλτρου οποιασδήποτε γεωμετρίας, δομής καναλιών και κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης, υπό την προϋπόθεση ότι το δοκίμιο αυτό έχει ίδια βασική (προ επικάλυψης) μικρο-δομή με τα εξεταζόμενα φίλτρα και ότι εφαρμόζεται η ίδια τεχνολογία καταλυτικής επίστρωσης με εξ ολοκλήρου εμποτισμό μέσα στο τοίχωμα.Τέλος μελετήθηκε πειραματικά και υπολογιστικά μια εξελιγμένη τεχνολογία καταλυτικής επίστρωσης με τοποθέτηση πάνω στο τοίχωμα, η οποία προσφέρει υψηλή απόδοση φιλτραρίσματος.Η καθεαυτή εισαγωγή ενός σωματιδιακού φίλτρου στην εξάτμιση ενός βενζινοκινητήρα, συνεπάγεται αύξηση της πτώσης πίεσης, της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών CO2, ένα πρόβλημα το οποίο μέχρι πρότινος δεν απασχολούσε τις εφαρμογές βενζίνης αλλά πρέπει τώρα να αντιμετωπιστεί.…”

unclassified

“…Οι(Ito, Y., et al, 2013),(Inoda, S., et al, 2017) και(Tanaka, A., et al, 2018) μελέτησαν πειραματικά την επίδραση της ποσότητας και κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην απόδοση φιλτραρίσματος ενός GPF. Μια από τις ελάχιστες υπολογιστικές μελέτες για GPF πραγματοποιήθηκε από τους(Belot, I., et al, 2020), οι οποίοι μελέτησαν την επίδραση της κατανομής της καταλυτικής επίστρωσης στην απόδοση φιλτραρίσματος, χρησιμοποιώντας μια μεθοδολογία ανακατασκευασμένου 3D πλέγματος. Η πρωτοτυπία αυτής της διδακτορικής διατριβής έγκειται στην πειραματική αλλά και υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης της ποσότητας της καταλυτικής επίστρωσης στην απόδοση φιλτραρίσματος και στην πτώση πίεσης του GPF και στην εξαγωγή συσχετίσεων μεταξύ των παραμέτρων φιλτραρίσματος και διαπερατότητας του τοιχώματος και της τοπικής ποσότητας καταλυτικής επίστρωσης.…”

unclassified

Λειτουργία Καταλυτικών Σωματιδιακών Φίλτρων Στο Καυσαέριο Βενζινοκινητήρων

Mitsouridis¹,

Μητσουρίδης²

View full text Add to dashboard Cite

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®.

show abstract

Numerical investigation of the impact of washcoat distribution on the filtration performance of gasoline particulate filters

Cited by 25 publications

References 71 publications

A Parallel Algorithm for Flux-Based Bounded Scalar Re-distribution

A Parallel Algorithm for Flux-Based Bounded Scalar Re-distribution

4D In-Situ Microscopy of Aerosol Filtration in a Wall Flow Filter

Λειτουργία Καταλυτικών Σωματιδιακών Φίλτρων Στο Καυσαέριο Βενζινοκινητήρων

Contact Info

Product

Resources

About