Model development and simulation of a prototype resistive soot sensor for OBD implementation

Abstract

Soot sensors are used in order to trace diesel particulate filter (DPF) failure that may result in exceedance of PM emission limits, which become increasingly stricter according to regulations for diesel vehicles. Accumulating sensors, also known as resistive electrode sensors, are considered to be a practical and low cost approach to estimate soot concentration in diesel engine exhaust. Target of the current thesis, is the modeling of the deposition mechanisms in order to interpret and predict a prototype resistive soot sensor behavior.In order to predict the response of the soot sensor, a CFD model has been initially developed to investigate the flow field inside the sensor tip. The results of the CFD, in combination with a dataset of measurements are the inputs of the developed physical model of the soot deposition on the sensor electrode plate. The main investigated deposition mechanisms include thermophoresis, electrophoresis, inertial impaction, convective diffusion and turbulent impaction.Finally, the simulation results are validated with several sets of steady-state and transient data of a diesel engine equipped with a DPF based after-treatment system. The developed model is found capable to predict the behavior of the sensor for a range of exhaust gas properties, taking into account specific sensor geometries.

Οι αισθητήρες αιθάλης χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση βλαβών φίλτρων αιθάλης (DPF), των οποίων η βλάβη οδηγεί στην υπέρβαση των επιτρεπτών εκπομπών σωματιδίων (PM), καθώς οι σχετικές νομοθεσίες γίνονται όλο και πιο αυστηρές. Οι σωρευτικοί αισθητήρες αιθάλης τύπου αντίστασης αποτελούν μία αποδοτική προσέγγιση για την εκτίμηση της συγκέντρωσης της αιθάλης στην εξάτμιση κινητήρων diesel. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η μοντελοποίηση των μηχανισμών εναπόθεσης ενός πρωτότυπου σωρευτικού αισθητήρα αιθάλης τύπου αντίστασης, η οποία είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη και την ερμηνεία της συμπεριφοράς του τελευταίου.Για την εκτίμηση του σήματος του πρωτότυπου αισθητήρα αιθάλης, ένα ρευστομηχανικό μοντέλο (CFD) αναπτύχθηκε αρχικά προκειμένου να διερευνηθεί το ροϊκό πεδίο εσωτερικά του κελύφους του αισθητήρα. Τα αποτελέσματα του CFD χρησιμοποιήθηκαν μαζί με ένα σύνολο μετρητικών δεδομένων, για το μοντέλο φυσικής εναπόθεσης των σωματιδίων της αιθάλης στην πλάκα ηλεκτροδίων του αισθητήρα. Οι κύριοι μηχανισμοί εναπόθεσης που έχουν μελετηθεί είναι η θερμοφόρηση, η ηλεκτροφόρηση, η αδρανειακή κρούση, η διάχυση και η τυρβώδης κρούση.Τελικά, το σήμα του αισθητήρα αιθάλης προσομοιώνεται και επικυρώνεται σε πραγματικά δεδομένα μόνιμης και μεταβατικής κατάστασης, οχήματος εξοπλισμένου με DPF. Το αναπτυγμένο μοντέλο βρέθηκε ικανό να προβλέψει τη συμπεριφορά του αισθητήρα σε ένα εύρος συνθηκών του καυσαερίου, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες γεωμετρίες αισθητήρων.