Cesare PIANESE | Progetti

SVILUPPO E VALIDAZIONE DI MODELLI ORIENTATI AL CONTROLLO DI SISTEMI SCR PER MOTORI AUTOMOBILISTICI

Per simulare il funzionamento del sistema SCR, valutarne le prestazioni ed ottimizzarle nell'ottica di sviluppare un controllore model-based, è opportuno realizzare un modello matematico che permetta, date in ingresso le condizioni termodinamiche e la composizione chimica dei gas di scarico, di calcolare i prodotti dei processi e delle reazioni in seno al SCR. L'approccio fenomenologico che si intende applicare è basato sui meccanismi di reazione chimica del catalizzatore alla Eley-Rideal. A partire da un modello di equazioni differenziali nello spazio e nel tempo, si intende procedere con una serie di semplificazioni successive in modo da ridurne l’onere di calcolo per una successiva implementazione real-time. In particolare il primo step prevede la discretizzazione del componente in un certo numero di elementi nella direzione assiale, a ciascuno dei quali applicare l'approccio ai valori medi. Ne risulta un modello dinamico a quattro stati, replicato per ciascun elemento. Successivamente, considerando l'elevata velocità di reazione di alcune specie rispetto ad altre si esegue un'ulteriore riduzione ad un solo stato, corrispondente all'ammonia coverage ratio. In tale modello ridotto, la dipendenza spaziale sarà considerata attraverso 4 sezioni in direzione longitudinale, con una riduzione dei tempi di calcolo rispetto al modello originario di tre ordini di grandezza. A valle dello sviluppo del modello si metterà a punto la procedura di identificazione dei parametri per calibrare il modello su un catalizzatore Rame-Zeolite. Saranno simulate manovre di test per validare i risultati rispetto a quelli ottenuti con un codice commerciale basato su un approccio più dettagliato. Nella fase finale si dovranno individuare dei transitori di test, eseguibili con determinate manovre di marcia del motore al banco prova, che consentano di isolare l’effetto di ogni singola reazione ed identificarne i rispettivi parametri. L'obiettivo sarà quello di ridurre il numero di esperimenti da eseguire al banco motore per poter procedere alle definitiva identificazione e validazione del modello rispetto ai dati sperimentali.Un riferimento per le prove sperimentali al banco potrebbe essere il protocollo detto di “Cummins” che prevede una opportuna manovra in quattro fasi: 1. Step di NO ed NO2 senza iniezione di ammoniaca; 2.Step di ammoniaca, NOx come allo step precedente; 3.Shut off NOx; 4.Step di NO ed NO2 e Shut off di ammoniaca.Il protocollo prevede di eseguire una serie di test, ciascuno dei quali a temperatura costante. Questo permetterebbe di eseguire un test per ogni punto motore disaccoppiando il più possibile la concentrazione degli inquinanti dalle condizioni operative. In particolare, lo step 3, durante il quale la concentrazione di NOx in ingresso al catalizzatore deve risultare nulla, può essere eseguito con una manovra in trascinato, cioè con iniezione di combustibile nulla e motore termico trascinato dal motore/freno elettrico del banco prova.Le prove sperimentali saranno eseguite presso la sala prova motori del DIIN su un motore Diesel Common-Rail sovralimentato con 4 cilindri in linea e cilindrata pari a 2.3 litri.