Modeling of Diesel Particulate Filter Regeneration: Effect of Fuel-Borne Catalyst

Modélisation de la régénération du filtre à particules Diesel : effet de l'additif

¹ Institut Français du Pétrole
² PSA Peugeot-Citroën

Corresponding author: c-noelle. millet@ifp. fr

Abstract

Modeling is a valuable help to optimize the setting and control of Diesel particulate filter (DPF) regeneration, given the complex phenomena involved. Among those, the fuel-borne catalyst action must be taken into account, because of its prevailing effect on the soot ignition and the regeneration propagation. This paper describes how a 1D model was developed at IFP, in a collaboration with PSA, which simulates the soot heating, ignition and oxidation along the wall-flow filter. The aim is to predict the regeneration of one filter channel, knowing the exhaust gases flow, temperature and oxygen content, and the way the filter was loaded with soot. The reaction mechanism and kinetics were experimentally studied and involve the additive action. Engine bench tests were conducted to highlight the effects of additive content, as well as the regeneration sensitivity to its main parameters (exhaust gases and soot features). Among others, it was found that additivated soot tend to pack down in the bottom of the inlet channels, thus modifying the regeneration progress, and that ignition temperature varies with the soot type.

Résumé

Étant donné les phénomènes complexes qui entrent en jeu dans la régénération du filtre à particules Diesel (DPF en anglais), la modélisation constitue une aide précieuse pour en optimiser la mise en place et le contrôle. En particulier, l'action de l'additif doit être prise en compte, en raison de son effet prédominant sur l'initiation de la combustion des suies et la propagation de la régénération. Cet article décrit le modèle 1D développé à l'IFP en partenariat avec PSA, qui permet de simuler le chauffage, l'allumage, et l'oxydation des suies à travers le filtre à effet wall-flow. Le but est de prédire la régénération d'un canal du filtre, le débit, la température et la composition en oxygène des gaz d'échappement, ainsi que la façon dont le filtre a été préalablement chargé. Le mécanisme réactionnel et les lois cinétiques ont été étudiés expérimentalement et tiennent compte de l'action de l'additif. Des essais sur banc moteur ont été réalisés pour mettre en évidence les effets de l'additif, ainsi que la sensibilité de la régénération aux principaux paramètres (caractéristiques des gaz d'échappement et de la suie piégée dans le filtre). Il a été trouvé, entre autres, que la suie additivée tend à être balayée vers le fond des canaux, ce qui modifie l'évolution de la régénération, et que la température d'initiation de combustion varie avec le type de suie. Les résultats expérimentaux forment une base de données qui nous a permis de valider le modèle pour plusieurs configurations. Il apparaît que les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Le modèle est donc un outil fiable pour prédire l'évolution de la régénération du filtre à particules, avec et sans additif.