Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung und Modellierung der Ablagerungsbildung während der Abgasnachbehandlung durch die Einspritzung von AdBlue vor den SCR-Katalysator

Durch die immer strengeren Emissionsbegrenzungen erhöht sich der Druck auf europäische Unternehmen, die Emissionen an Stickoxiden (NOx) von mit Dieselmotor betriebenen Fahrzeugen zu senken. Gleichzeitig steigen die NOx-Emissionen in Verbrennungsmotoren durch stetige Optimierung der Effizienz hinsichtlich einer Reduktion der CO2-Emissionen. Für die Verminderung der Emissionen ist daher eine effektive Abgasnachbehandlung mithilfe von AdBlue als Reduktionsmittel für NOx essentiell.

Feststoffablagerungen durch Harnstoff und dessen Folgeprodukte, die sich durch die AdBlue-Einspritzung auf festen Oberflächen (Abgasrohrwand, Mischer, Injektor) bilden können, führen zu dramatischem Leistungsverlust des Abgasnachbehandlungssystems. Ziel dieses Projektes ist das fundamentale Verständnis der Ablagerungsbildung und die Formulierung eines Modells, das die Feststoffbildung beschreibt und vorhersagen kann. Dieses wird die Kosten für aufwendige experimentelle Untersuchungen bezüglich der Entwicklung und Produktion von Abgasnachbehandlungssystemen senken und dient zur Optimierung des Harnstoff-SCR-Verfahrens hinsichtlich Betriebsbedingungen und Design. Die Anwendung des Modells von KMUs auf den jeweiligen Herstellungs- oder Entwicklungsprozess von Abgasnachbehandlungssystemen steigert die Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit der KMUs und führt langfristig zur Schaffung neuer Arbeitsplätze.

Experimentelle Messungen werden parallel zu Modellierungen durchgeführt, um den Vorgang der Ablagerungsbildung zu untersuchen. An einem Labor- sowie einem Motorprüfstand werden mithilfe fortgeschrittener Analysetechniken umfassende experimentelle Daten erfasst und die gebildeten Ablagerungen werden detailliert chemisch und physikalisch analysiert. Die Modellierungsarbeit umfasst die kinetische Modellierung der chemischen Reaktionen aller beteiligten Phasen inklusive der Ablagerungsbildung. Weiterhin werden CFD-Simulationen für die turbulente Gasströmung und die Dynamik der Flüssigkeitsfilme genutzt.

Ergebniszusammenfassung:

Dieses Projekt befasst sich mit der Interaktion von Sprays mit heißen Wänden, der resultierenden Wandfilmbildung sowie dem Entstehen von kritischen Feststoffablagerungen in Abgasnachbehandlungssystemen. Für Untersuchungen im Anwendungsmaßstab wurden unterschiedliche Prüfstände entwickelt und aufgebaut, die Experimente zur Film- und Ablagerungsbildung unter realitätsnahen Bedingungen ermöglichen. Die erzeugten, festen Ablagerungen wurden detailliert bezüglich ihrer Topologie und der chemischen Zusammensetzung untersucht.

Basierend auf den experimentellen Daten wurden chemische und physikalische Modelle weiterentwickelt und in ein Gesamtmodell in CFD integriert. Dies ermöglicht erstmals die Abbildung kritischer Feststoffbildung im Abgaskanal in 3D Simulationen. Das entwickelte Modell stellt ein neuheitliches Tool zur Simulation von Abgasnachbehandlungssystemen dar und kann für das Design und die Optimierung entsprechender Systeme eingesetzt werden. Die Sensitivität des Modells bezüglich der aufzuwendenden Rechenkosten wurde demonstriert. Erste Ansätze zur Reduktion der Rechenzeit wurden entwickelt und angewendet.