Dizel ve hidrojen içten yanmalı motorların egzoz son işlem sistemlerine yönelik seçici katalitik indirgeme katalizörlerinin süperkritik iyon değişimi ile sentezi, kinetik modellemesi ve motor kontrol ünitesi odaklı uygulaması

Bu çalışma, nitrik oksitlerin (NOx) amonyakla seçici katalitik indirgeme (NH3-SCR) uygulamaları için geliştirilen katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu, kinetik modellenmesi ve motor kontrol ünitelerine (ECU) entegre edilmeye uygun şekilde kontrol odaklı modellenme çalışmalarını içermektedir. Çalışma, hidrojenli içten yanmalı motorlar (H2-ICE) ve Euro 7 regülasyonlarına yönelik geliştirilen dizel motorların emisyonlarına yönelik ileri seviye egzoz arıtma sistemlerini kapsamaktadır. Zeolitin SSZ-13, ZSM-5 ve MOR gibi çeşitli yapıları, Bakır(II) trifluoroasetilasetonat [Cu(tfa)2] ile Süperkritik ve Su Bazlı İyon Değişimi (SCIE ve AIE) yöntemleri kullanılarak iyon değişimine tabi tutulmuştur. Katalitik aktivite değerlendirmeleri, SCIE yöntemiyle sentezlenen Cu/MOR katalizörünün, AIE'ye göre daha yüksek NO dönüşüm verimliliği gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca SCIE yöntemi, sentez sıcaklığı (40–80 °C) ve Cu(tfa)2 derişimi değiştirilerek SSZ- 13'teki 8 ve 6 üyeli halkalarda yer alan ZCuOH ve Z2Cu türlerinin dağılımını ayarlayarak bölgeye özgü bakır değişimini mümkün kılmıştır. Spektroskopik ve sıcaklık programlı tekniklerle (UV–Vis, ATR-FTIR, NH3 ve NO2'nin sıcaklık programlı desorpsiyonu, H2 ile sıcaklık programlı indirgeme) yapılan analizler, yüksek sıcaklıklarda ZCuOH türlerinin baskın olduğunu, artan Cu öncül madde derişimiyle birlikte ise Z2Cu türlerinin daha yaygın hale geldiğini göstermiştir. Ticari bir Cu/CHA katalizörünün NH3-SCR performansı, H2-ICE egzozuna benzer koşullarda değerlendirilmiştir: 175-760 ppm NO, 175- 760 ppm NH3, %1–20 H2O, %1–14 O2 ve 500 ppm O2 içeren gaz karışımlarının beslenmesiyle katalizör 150–490 °C sıcaklık aralığında test edilmiştir. Su içeriği %1'den %20'ye çıktığında NH3 tutunması yaklaşık %40 oranında azalmıştır. Standart SCR koşullarında (NO/NOx = 1), düşük sıcaklıklarda NOx dönüşümü, artan su miktarıyla birlikte belirgin şekilde düşmüş; örneğin 200 °C'de, H2O oranı %1'den %20'ye çıkarıldığında NOx dönüşümünde %30'a varan bir azalma gözlemlenmiştir. Ancak yüksek sıcaklıklarda su, katalitik etkinliği destekleyici bir etki göstermiş; 250 °C üzerinde ve 60.000 h-1 saatlik gaz hacimsel hız altında NOx dönüşümü sürekli olarak %99'un üzerinde seyretmiştir. Hızlı SCR koşullarında (NO2/NOx = 0.5), suyun etkisi daha sınırlı olmuş ve 200 °C'de dahi %95'in üzerinde NOx dönüşümü elde edilmiştir. Ana beslemeye eş zamanlı verilen 500 ppm hidrojen, 400 °C'nin altındaki sıcaklıklarda görülebilir bir etki göstermemiş,ancak yüksek sıcaklıklarda NOx verimliliğini ve N2 seçiciliğini hafifçe etkilemiştir. Motor Kontrol Ünitelerinde (ECU) gerçek zamanlı kullanım için NH3-SCR sürecinin Azaltılmış Mertebeli Modeli (ROM) geliştirilmiştir. Model, sentetik gaz analiz düzeneğinden elde edilen verilerle kalibre edilmiş ve 7.5 L (motora yakın yerleşimli) ve 41 L (egzoz çıkışı yerleşimli) ticari SCR reaktörleri ile yapılan dinamometre testlerine karşı doğrulanmıştır. ROM, Dünya Harmonize Test Döngüsü (WHTC) koşullarında NO, NH3 ve N2O'nun geçici davranışlarını %5'ten daha az hata ile doğru şekilde tahmin edebilmiş; aynı zamanda gaz/katı termal davranışını da başarıyla modelleyerek ECU'lara entegre edilebilecek üre dozlama stratejileri için sağlam bir çözüm sunmuştur.