0D Modelling: a Promising Means for After-treatment Issues in Modern Automotive Applications
La simulation 0D : une voie d'avenir pour traiter les problématiques de post-traitement des véhicules automobiles modernes
Institut français du pétrole, IFP, Direction Techniques d'Applications énergétiques,1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
Corresponding authors: gilles.mauviot@ifp.fr fabrice.le-berr@ifp.fr stephane.raux@ifp.fr florian.perretti@ifp.fr louis-marie.malbec@ifp.fr claire-noelle.millet@ifp.fr
For modern automotive applications, after-treatment systems have become essential to respect the new emission standards. All the automotive world's attention is focused on catalysis systems because they seem to be one of the best ways to reach the future standards. As a result, after-treatment issues are more and more significant in the cost of the whole engine and vehicle development process. For example, the Euro 6 Diesel after-treatment line might for some applications be composed of nothing less than five distinct after-treatment bricks. This complex architecture implies developing advanced tools to help the exhaust line conception and also the design of associated control strategies. The present paper demonstrates that zero-dimensional (0D) simulation can be a relevant approach to develop exhaust line simulators compatible with accuracy and CPU time required performances. This paper proposes an original zero-dimensional model of the monolith. This approach is based on resistive and capacitive elements according to the bond graph theory [Karnopp D.C., Margolis D.L., Rosenberg R.C. (1990) Systems dynamics: a unified approach, Second Edition, John Wiley & Sons, New-York]. The described dynamic model takes into account the pneumatic flow and the thermal behaviour of the monolith. Models of several catalysts are built by plugging this monolith model with some well-known simplified chemical reaction schemes [Koltsakis G.C., Konstandinis P.A., Stamatelos A.M. (1997) Development and application range of mathematical models for 3-way catalytic converters, Appl. Catal. B: Environ. 12, 161-191]. Splitting a monolith model into several elementary zero-dimensional blocks in series allows having a good representation of the specific internal dynamic of one catalyst and to access some local information as in conventional well-known one-dimensional models with low CPU time cost [Koltsakis G.C., Konstandinis P.A., Stamatelos A.M. (1997) Development and application range of mathematical models for 3-way catalytic converters, Appl. Catal. B: Environ. 12, 161-191]. Such an approach can be used as a way to get a phenomenological understanding of the catalytic system, which is known to be a very complex multi-physical system. It also represents a relevant simulation tool for the definition of after-treatment line architecture and pollutant emission control. The approach's potential to deal with all modern after-treatment bodies is illustrated by results for a Three-Way Catalyst (3WC), a Diesel Oxidation Catalyst (DOC), a Lean NOx Trap (LNT) system, a Selective Catalyst Reduction of NOx (SCR) system and a Diesel Particulate Filter (DPF). This ability to give, with a good compromise between accuracy/low CPU time cost, some interesting information to help the development of more and more complex exhaust system makes zero-dimensional simulation relevant.
Résumé
Dans les véhicules automobiles modernes, les systèmes de post-traitement deviennent incontournables pour respecter les nouvelles normes de pollution. De ce fait, les problématiques autour du post-traitement deviennent de plus en plus significatives sur le coût de développement des moteurs et des véhicules. à titre d'exemple, certains scenarii montrent que le système de post-traitement d'un véhicule Diesel Euro 6 pourrait être composé de 5 éléments différents. Cette architecture complexe implique le développement d'outils sophistiqués pour aider à la conception de la ligne de post-traitement et à la définition de stratégies de contrôle. Ce papier démontre que la simulation zéro-dimension (0D) peut être une approche pertinente pour développer des simulateurs d'organes de post-traitement compatibles avec les exigences de précision et de temps de calculs demandées. Un modèle de monolithe original zéro-dimension est également décrit. L'approche est basée sur des éléments résistifs et capacitifs comme définis dans la théorie bond-graph [Karnopp D.C., Margolis D.L., Rosenberg R.C. (1990) Systems dynamics: a unified approach, Second Edition, John Wiley & Sons, New-York]. Le modèle proposé prend en compte le comportement dynamique du fluide et le comportement thermique du monolithe. Plusieurs modèles de catalyseurs sont construits en associant ce modèle de monolithe avec des schémas réactionnels simplifiés tirés de la littérature [Koltsakis G.C., Konstandinis P.A., Stamatelos A.M. (1997) Development and application range of mathematical models for 3-way catalytic converters, Appl. Catal. B: Environ. 12, 161-191]. Diviser un modèle de monolithe en plusieurs blocs 0D élémentaires associés en série permet d'obtenir une bonne représentation de la dynamique présente à l'intérieur d'un catalyseur et d'accéder à des informations locales comme dans les modèles 1D avec des temps de calcul réduits [Depcik C., Assanis D. (2003) One-dimensional automotive catalyst modeling, Prog. Energ. Combust. 31, 308-369]. Cette approche peut être utilisée comme un moyen de compréhension de phénomènes complexes qui régissent le catalyseur impliquant plusieurs domaines de la physique. Elle représente aussi un outil de simulation pertinent dans la définition des architectures de ligne de post-traitement et dans le contrôle des émissions polluantes. Le potentiel de l'approche pour traiter l'ensemble des organes de post-traitement est illustré par des résultats sur un catalyseur trois voies (3WC), un catalyseur d'oxydation Diesel (DOC), un piège à NOx (LNT), un système de catalyse sélective des NOx (SCR) et un filtre à particules (DPF). Cette capacité à fournir avec un bon compromis temps/précision des informations intéressantes pour aider au développement de systèmes de post-traitement de plus en plus complexes rend la simulation 0D particulièrement attractive.
© IFP, 2009