CATALYTIC CONVERTER AS AN ELEMENT OF FLOW RESISTANCE IN ENGINE EXHAUST SYSTEM

Journal of KONES Powertrain and Tranport, Vol. 13, No. 1 CATALYTIC CONVERTER AS AN ELEMENT OF FLOW RESISTANCE IN ENGINE EXHAUST SYSTEM Zbigniew mudka, Stefan Potrzednik Sileian Univerity of Technology Intitute of Thermal Engineering Konarkiego 18, 44-1 Gliwice, Poland tel.: +48 32 2371332, fax: +48 32 2372872 e-mail: zmudka@itc.poll.pl, potrzed@itc.poll.pl Abtract Converion rate of harmful ubtance i the principal parameter of catalyt work in repect of ecology. However, reitance of exhaut ga flow through the catalytic converter i alo eential problem, apart from it chemical efficiency becaue fitting the catalyt in exhaut ytem alter flow characteritic of thi ytem ignificantly. Flow reitance generated by converter i conidered a a local reitance. Reitance number of the catalyt wa calculated uing Darcy model. The problem have been illutrated by reult of experimental reearche of three way catalytic converter intalled in exhaut ytem of park ignition engine (type 117A1.46) and it baic analyi. Interdependence between operating parameter of engine work and condition of exhaut ga flow through the catalyt wa determined. Inquirie into relationhip between flow and tructural parameter of the converter were alo made. Beide, pecific emiion of toxic ubtance were invetigated in the whole operation range of the engine before and after the catalyt. Thu, change of the emiion indice within the catalyt and converion rate of the harmful ubtance were evaluated. Keyword: internal combution engine, catalytic converter, preure drop, local and linear flow reitance, reitance number KONWERTOR KATALITYCZNY JAKO ELEMENT OPORU WYPYWU SPALIN W UKADZIE WYLOTOWYM Strezczenie Przedtawiono gówne problemy zwizane z ekploatacj konwertorów katalitycznych, w których realizowane procey obróbki palin ilnikowych majce na celu ograniczenie emiji ubtancji zkodliwych. W tym zakreie zczególn uwag zwrócono na efektywno termochemiczn katalizatora oraz opory przepywu, jakie tawia on na drodze wypywu palin z ilnika, poniewa zaintalowanie konwertora w ukadzie wylotowym znacznie zmienia jego charakterytyk przepywow. Opór przepywu wywoywany przez konwertor traktowany jet jako opór miejcowy. Liczb oporu obliczano wykorzytujc model Darcy ego. Problematyk zilutrowano wynikami bada ekperymentalnych trójfunkcyjnego katalizatora zaintalowanego w ukadzie wylotowym ilnika o zaponie ikrowym typu 117A1.46. Okrelono wzajemne zalenoci pomidzy ekploatacyjnymi parametrami pracy ilnika a warunkami przepywu palin przez katalizator oraz jego kuteczno konwerji tokycznych kadników palin. Sowa kluczowe: ilnik palinowy, konwertor katalityczny, padek cinienia, miejcowy i liniowy opór przepywu, liczba oporu przepywu

Z. mudka, S. Potrzednik 1. Wprowadzenie Znaczce rezerwy oraz itotne moliwoci w zakreie poprawy efektywnoci pracy ilników palinowych tkwi m.in. w lepzej organizacji proceu wymiany adunku [3]. Aby efektywnie oign zmniejzenie pracy wymiany adunku naley zadba o ograniczenie oporów przepywu po tronie napeniania wieym adunkiem, jak równie po tronie wypywu palin, gdzie itotn rol odgrywa opór przepywu amego konwertora katalitycznego. Tak wic, intalacja katalizatora w ukadzie wylotowym ilnika ma negatywne znaczenie dla jego pracy ze wzgldu na wprowadzenie dodatkowego oporu, a przez to zmian warunków przepywu palin. Z kolei opór przepywu zaley od punktu pracy ilnika jak równie parametrów kontrukcyjnych amego katalizatora, w zczególnoci od jego porowatoci oraz wielkoci wolnego przekroju poprzecznego [1]. Analizowano gówne problemy zwizane z ekploatacj konwertorów katalitycznych, w których realizowane procey obróbki palin ilnikowych majce na celu ograniczenie emiji ubtancji zkodliwych. W tym zakreie zczególn uwag zwrócono na opory przepywu, jakie tawia on na drodze wypywu palin z ilnika, poniewa zaintalowanie konwertora w ukadzie wylotowym znacznie zmienia jego charakterytyk przepywow. Konwertor katalityczny mona traktowa jako element oporów liniowych lub miejcowych ukadu wylotowego. Problematyk zilutrowano wynikami bada ekperymentalnych trójfunkcyjnego katalizatora zaintalowanego w ukadzie wylotowym ilnika ZI. Okrelono wzajemne zalenoci pomidzy ekploatacyjnymi parametrami pracy ilnika a warunkami przepywu palin przez konwertor katalityczny. 2. Katalizator jako element oporów liniowych ukadu wylotowego Obiektem bada by trójfunkcyjny konwertor katalityczny zaintalowany w ukadzie wylotowym ilnika palinowego (typu 117A1.46) z zaponem ikrowym, o jednopunktowym wtryku paliwa. Katalizator zbudowany jet z dwóch monolitycznych wkadów kordierytowych o eliptycznym przekroju. Wybrane parametry kontrukcyjne badanego katalizatora: materia podoa: podoe ceramiczne (kordieryt), ubtancja aktywna katalitycznie: metale zlachetne platyna, pallad, rod, zagzczenie kanaów: 62 kanay/cm 2 (kanay o przekroju kwadratowym), grubo cianki:,15 mm, przekrój wkadu roboczego: A = 55,64 cm 2, objto wkadów roboczych: V = 2 wkady po 425,62 cm 3 = 851,24 cm 3, ekwiwalentna rednica wewntrzna katalizatora: d = 83,75 mm, ekwiwalentna rednica wewntrzna kanau: d k = 1,12 mm, cakowita dugo wkadów roboczych: L = 153 mm, porowato: =,78. Podtawow mierzon wielkoci charakteryzujc opór przepywu jet padek cinienia p kat palin w obrbie konwertora, który dla badanego urzdzenia przedtawiono na ryunku 1. Potwierdzono, i ronie on wraz ze wzrotem prdkoci i obcienia. Oczywicie, warto padku cinienia oraz jego gradient zale od punktu pracy ilnika. W celu oceny wybranych wielkoci i przeprowadzenia analizy oporów przepywu palin przez konwertory wyznacza i rednie wartoci niezbdnych parametrów palin w ich obrbie przy wykorzytaniu redniego kadu palin [2]. 28

CATALYTIC CONVERTER AS AN ELEMENT OF FLOW RESISTANCE IN ENGINE EXHAUST SYSTEM pkat, kpa 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1, ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, p kat = f(m o,e ), n = idem 2 obr/min 3 obr/min,5, 1 2 3 4 5 6 4 obr/min Ry. 1. Spadek cinienia p kat palin w obrbie badanego katalizatora Fig. 1. Preure drop p kat of exhaut ga within the catalytic converter teted Strumie may m palin mona ogólnie zapia natpujco: m A w. (1) Prdko w przepywu palin przez wolny przekrój poprzeczny konwertora odnoi i take do prdkoci przepywu wewntrz pojedynczego kanau. Pole A wolnego przekroju poprzecznego katalizatora, przez który przepywaj paliny wynoi: A A, (2) gdzie: A cakowite pole przekroju poprzecznego katalizatora (m 2 ), porowato. Podtawiajc (2) do (1) otrzymuje i: w którym m A, (3) w w w,, (4) w, jet redni prdkoci napywow palin w katalizatorze. Wykorzytujc zaleno (4) trumie palin zapiujemy: m A. (5) w, redni prdko napywow w, palin w katalizatorze obliczmy, toujc wzór (5), wg formuy: n M w, v, (6) A gdzie: n molowy trumie palin, v objto waciwa palin, M maa molowa dla redniego kadu palin wilgotnych w obrbie katalizatora. Dla badanego ukadu prdko w palin wewntrz pojedynczego kanau katalizatora przedtawiono na ryunku 2. W analizowanym obzarze pracy ilnika prdko ta zmienia i w zakreie od okoo 2 do 18 m/. Potwierdzono, e prdko palin w kanaach konwertora jet ronc funkcj obcienia i prdkoci obrotowej ilnika. Sytuacja taka zwizana jet 29

Z. mudka, S. Potrzednik przede wzytkim z odpowiednim wzrotem wartoci trumienia palin, gdy ronie moment oraz prdko obrotowa ilnika. W ujciu modelowym zagadnienia oporów przepywu palin, konwertor katalityczny moe by traktowany jako element oporów liniowych lub miejcowych ukadu wylotowego ilnika. W pierwzym przypadku ujcie zagadnienia oporów przepywu palin przez katalizator polega bdzie na przyjciu liniowego ukadu modelowego, z rozoon liniowo wzdu drogi przepywu palin dyypacj energii (liniowe opory tarcia). w m/ 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, w = f(m o,e ), n = idem 2 obr/min 3 obr/min 4 obr/min Ry. 2. Prdko w przepywu palin wewntrz pojedynczego kanau katalizatora Fig. 2. Velocity w of exhaut ga flow through ingle cell of the catalyt Cay wkad konwertora katalitycznego traktuje i wtedy jako pczek równolegle uoonych kanaów protych, kady o dugoci L oraz zatpczej rednicy wewntrznej d k. Przyj mona zaoenie, ze padek cinienia w obrbie kadego kanau jet w przyblieniu jednakowy i równy padkowi cinienia na wkadzie konwertora. Do opiu przepywu w obrbie kadego z kanaów mona zatoowa tzw. ujcie kapilarne. W tym przypadku liniowa zmiana cinienia w kanale wynieie: dp dx 2 w k, x L, (7) 2d k gdzie: k liczba tarcia (oporu liniowego) w kanale konwertora, w prdko palin wewntrz pojedynczego kanau ujta np. za pomoc wzoru (4). Po cakowaniu równania (7) uzykuje i (urednion na odcinek L) zaleno: 2 L w p1 2 k d. (8) k 2 Wyraenie ( k L/d k ) jet bezwymiarowym kryterium liniowych oporów przepywu w ukadzie. Liczba tarcia k zaley od jakoci powierzchni kanaów przepywowych, a take od warunków przepywu, charakteryzowanych za pomoc liczby Reynolda, a wyraan w tym przypadku jako: w dk Rek. (9) 21

CATALYTIC CONVERTER AS AN ELEMENT OF FLOW RESISTANCE IN ENGINE EXHAUST SYSTEM Wyznaczona wedug wzoru (9) liczba Reynolda (Re) k odnoi i do modelu traktujcego opór katalizatora jako opór liniowy i dotyczy przepywu palin w pojedynczym kanale. Kztatowanie i wartoci liczby Reynolda (Re) k w zalenoci od obcienia ilnika pokazano na ryunku 3. Wynika td, e przepyw palin w obrbie pojedynczego kanau ley w zakreie przepywu laminarnego, co oznacza, e chropowato cianek kanaów poiada mniejze znaczenie w tym apekcie bada. 18 (Re) k 16 14 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, (Re) k = f(m o,e ), n = idem 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 2 obr/min 3 obr/min 4 obr/min Ry. 3. Liczba Reynolda (Re) k przepywu palin w pojedynczym kanale Fig. 3. Reynold number (Re) k of exhaut ga flow through ingle cell Dyponujc wynikami przeprowadzonych bada ekperymentalnych okreli mona najpierw z równania (8) wartoci kryterium liniowych oporów przepywu ( k L/d k ), a natpnie (znajc wartoci wymiarów geometrycznych ukadu: L, d k ) wartoci liczby tarcia k. Wyniki oblicze kryterium liniowych oporów przepywu przedtawiono na ryunku 4. ( k L/d k) 4 35 3 25 2 15 1 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, ( k L/d k ) = f(m o,e ), n = idem 2 obr/min 3 obr/min 5 1 2 3 4 5 6 4 obr/min Ry. 4. Kryterium liniowych oporów przepywu palin ( k L/d k ) Fig. 4. Criterion of linear reitance of exhaut ga flow ( k L/d k ) 211

Z. mudka, S. Potrzednik Zaadniczy wpyw na wartoci liczby tarcia k wywiera aktualna warto liczby Reynolda (Re) k, co z kolei zilutrowano na ryunku 5, który potwierdza, i itnieje wyrana zaleno k = f[(re) k ]. k 3, 2,5 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, k = f[(re) k ], n = idem 2, 1,5 1,,5, 2 4 6 8 1 12 14 16 (Re) k 2 obr/min 3 obr/min 4 obr/min Ry. 5. Zaleno liczby tarcia k od liczby Reynolda (Re) k dla kanaów katalizatora Fig. 5. Friction number k veru Reynold number (Re) k for the catalyt cell Uzykane wartoci liczby tarcia k przewyzaj wartoci typowe, potykane w intalacjach rurocigowych. Wynika to z faktu, i wzgldna chropowato cianek kanaów konwertora katalitycznego (e/d k ) jet znacznie wikza od wzgldnej chropowatoci rurocigów. Jet to rezultatem koniecznoci rozwinicia powierzchni reakcji (kontaktu fazy taej i gazowej) przy bardzo maej ekwiwalentnej rednicy wewntrznej kanau. Wzgldn chropowato cianek kanaów konwertora katalitycznego (e/d k ) mona obliczy wykorzytujc wyznaczon uprzednio liczb tarcia k oraz liczb Reynolda (Re) k. Pouy i mona w tym celu np. zalenoci Colebrooka White a [2]: 1 Rek k 3,71 2lg. (1) k 2,51 e dk Dla badanego konwertora, toujc przedtawion powyej metod, uzykano warto wzgldnej chropowato cianek kanaów (e/d k ) = (,9 -,2). 3. Katalizator jako element oporów miejcowych ukadu wylotowego Innym, bardziej uprozczonym podejciem jet model, w którym opór przepywu, jaki wywoywany jet przez katalizator traktuje i jako opór miejcowy. Jet to podejcie zczególnie praktyczne w przypadku, gdy utrudniony jet dotp do zczegóowych danych kontrukcyjnych wkadu roboczego konwertora, a niezbdna jet analiza oporów przepywu w ukadzie wylotowym. Wykorzyta mona w tym celu model Darcy ego [2]: 2, w p, (11) 2 v 212

CATALYTIC CONVERTER AS AN ELEMENT OF FLOW RESISTANCE IN ENGINE EXHAUST SYSTEM z którego oblicza i liczb oporu katalizatora wedug wzoru: 2 v p kat. (12) 2 w, Charakterytyki obcieniowe liczby oporu badanego trójfunkcyjnego katalizatora zaintalowanego w ukadzie wylotowym ilnika typu 117A1.46, dla wybranych prdkoci obrotowych przedtawiono na ryunku 6. Ogólnie zaleno liczby oporu zarówno od momentu obrotowego jak i prdkoci obrotowej ilnika jet funkcj malejc. Taka ytuacja, zgodnie z formu (12), jet uwarunkowana wikzym wpywem wzrotu napywowej prdkoci w, (wzór (6)) palin na liczb oporu konwertora, anieli przyrot padku cinienia p kat oraz objtoci waciwej v palin. W badanym obzarze pracy ilnika warto liczby oporu katalizatora zmienia i w tounkowo zerokim zakreie, od 1 do okoo 56. 6 5 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, = f(m o,e ), n = idem 4 3 2 1 2 obr/min 3 obr/min 4 obr/min 1 2 3 4 5 6 Ry. 6. Liczba oporu badanego katalizatora Fig. 6. Reitance number of the catalyt teted Natpnie, redni kinematyczny wpóczynnik lepkoci palin w obrbie katalizatora oblicza i wedug wzoru: gdzie: = 13,31 6 m 2 /; T = 273 K 7 4 Tr T T, (13) Napywowa liczba Reynolda (Re) wyliczana jet wedug zalenoci: gdzie: d ekwiwalentna rednica wewntrzna katalizatora (m). Re w, d, (14) Wyznaczona wedug wzoru (14) napywowa liczba Reynolda (Re) odnoi i wycznie do przyjtego modelu, traktujcego opór katalizatora jako opór miejcowy, a am pakiet wewntrzny konwertora jako tzw. czarn krzynk, tzn. nie analizuje i wewntrznej 213

Z. mudka, S. Potrzednik truktury kanaów przepywowych. Liczba ta dotyczy przekroju pooonego bezporednio przed wkadem roboczym konwertora, td nazwa napywowa liczba Reynolda. Dla palin przepywajcych przez konwertor liczba (Re) ronie prawie liniowo w zalenoci od momentu obrotowego ilnika (Ry. 7) i zawiera i w przedziale od okoo 2 do okoo 8. Zaleno liczby Reynolda od obcienia równie jet funkcj ronc. 1 (Re) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, (Re) = f(m o,e ), n = idem 1 2 3 4 5 6 2 obr/min 3 obr/min 4 obr/min Ry. 7. Liczba Reynolda (Re) przepywu palin przez konwertor traktowany jako opór miejcowy Fig. 7. Reynold number (Re) of exhaut ga flow through the converter teted Wzajemn zaleno pomidzy liczb oporu katalizatora a napywow liczb Reynolda przepywu palin przedtawiono na ryunku 8. Liczba oporu maleje wraz ze wzrotem liczby Reynolda. Jednake w takim ujciu oberwuje i nieznaczny wpyw prdkoci obrotowej ilnika na kztatowanie i zalenoci = f[(re) ]. 6 5 ilnik 117A1.46, katalizator trójfunkcyjny, = f[(re) ], n = 2 4 obr/min 4 3 2 1 2 obr/min 3 obr/min 4 obr/min 1 3 5 7 9 (Re) Ry. 8. Zaleno liczby oporu katalizatora od napywowej liczby Reynolda przepywu palin Fig. 8. Reitance number of the catalyt veru Reynold number of exhaut ga flow 214

CATALYTIC CONVERTER AS AN ELEMENT OF FLOW RESISTANCE IN ENGINE EXHAUST SYSTEM Dodatkowo, zaleno: Re Re k dk d, (15) (gdzie: porowato wkadu roboczego katalizatora) przedtawia prot relacj pomidzy napywow liczb Reynolda (Re), charakterytyczn dla ujcia, w którym katalizator traktuje i jako element oporu miejcowego oraz liczb Reynolda (Re) k odnozc i do przepywu palin w obrbie pojedynczych kanaów, przy przyjciu modelu oporów liniowych. Tak wic, oprócz parametrów ekploatacyjnych ilnika oraz palin opory przepywu zale cile take od parametrów kontrukcyjnych konwertorów. W tym wzgldzie itotne znaczenie ma porowato wkadów roboczych (monolitycznego podoa). Porowato wyznaczano dwoma metodami [6]: dokonujc pomiarów geometrii kanaów i wkadu roboczego katalizatorów (porowato zewntrzna), opracowan metod termodynamiczn (porowato cakowita). Mona generalnie zauway, i nize wartoci liczby oporu poiadaj katalizatory o wyzej porowatoci [7]. Jednake niezbdna jet gbza analiza termodynamiki zjawik przepywowych zachodzcych w obrbie katalizatorów, poniewa o liczbie oporu bdzie otatecznie decydowaa nie tylko porowato, lecz równie ich inne parametry kontrukcyjne (np. wolny przekrój poprzeczny czy te zagzczenie pola powierzchni tyku fazy taej i gazowej) oraz ekploatacyjne wanoci palin. Problem ten bdzie przedmiotem kolejnych analiz. 4. Podumowanie Przedtawiono wybrane wyniki bada ekperymentalnych trójfunkcyjnego konwertora katalitycznego zaintalowanego w ukadzie wylotowym ilnika o zaponie ikrowym (typu 117A1.46), w zakreie oporów przepywu palin. Opór przepywu palin przez katalizator jet itotnym zjawikiem dla ekploatacji ilnika, poniewa determinuje prac wymiany adunku a przez to równie zuycie paliwa i emij zanieczyzcze. Przeprowadzone badania wykazay wzajemne zalenoci pomidzy ekploatacyjnymi parametrami pracy ilnika oraz przepywowymi i kontrukcyjnymi parametrami konwertorów. Uogólniajc zagadnienie naley zauway, e opory przepywu palin w obrbie konwertora katalitycznego mona analizowa wykorzytujc model oporów liniowych, jak równie model oporów miejcowych. Ten pierwzy naley uzna za bardziej ogólny, gdy pozwala uwzgldni wymiary geometryczne (L, d k ) ukadu przepywowego. Katalizator traktowany jet wówcza jako ukad przepywowy z liniowo rozoonymi oporami wzdu drogi przepywu palin, przy uwzgldnieniu równolegego rozpywu palin na pozczególne kanay wypenienia katalizatora. Zagadnienie to równie bdzie przedmiotem natpnych bardziej zczegóowych opracowa. Literatura [1] Mau, W., Jumping the SULEV Hurdle with Cacade. Auto Technology 2, 21. [2] Potrzednik, S., Termodynamika zjawik przepywowych, Pol. l. Gliwice 1991. [3] Potrzednik, S., mudka, Z., Improvement if IC Engine Work by Modification it Thermodynamic Cycle. Proceeding of ECOS 22, 15 th International Conference on Efficiency, Cot, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Sytem, Berlin 22. 215

Z. mudka, S. Potrzednik [4] mudka, Z, Potrzednik, S., Characteritic and Diminihing of Gaeou Emiion from Dieel Engine. International Journal of Applied Thermodynamic. International Centre for Applied Thermodynamic. Vol. 3 (No. 1), pp. 43-48, March 2. [5] mudka, Z., Potrzednik, S., Cieiokiewicz, A., Evaluation of work parameter of oxidation catalyt in dieel engine exhaut ytem. Journal of KONES Internal Combution Engine. Vol. 1, No. 3 4. 23. [6] Potrzednik, S., mudka, Z., Solid Material Poroity and the Method of it Determination (paper 4-1-118). Proceeding of the 29 th International Sympoium on Combution. Hokkaido Univerity. Sapporo 22. [7] mudka, Z., Potrzednik, S., Cieiokiewicz, A., Operation Apect of Automotive Catalytic Converter Application. Proceeding of ECOS 24, 17 th International Conference on Efficiency, Cot, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Sytem, Guanajuato, Mexico, 24. 216