Teilprojekt C05 Sadiki/Janicka

Teilprojekt C05 Sadiki/Janicka

Ganzheitliche numerische Modellierung von reagierenden, mehrphasigen Strömungsvorgängen im Abgasstrang

Motivation

Das SCR-Gesamtsystem (SCR: Selective Catalytic Reduction) besteht im Wesentlichen aus dem HWL-Einspritzsystem (HWL: Harnstoff-Wasser-Lösung), der Mischstrecke und dem Katalysator, in dem die Stickoxide aus dem heißen Abgas des Motors entfernt werden. Zwei Gebiete können in solchen SCR-Systemen unterschieden werden. Das erste Gebiet umfasst den Bereich vor dem eigentlichen Katalysator, in dem die Einspritzung des Harnstoffs, die Umwandlung zu Ammoniak und die Mischung mit dem Abgas erfolgt. Das zweite Gebiet ist der eigentliche SCR-Katalysator. Die Prozesse im ersten Gebiet vor dem Katalysator sind Gegenstand der Untersuchung in diesem Teilprojekt. Dabei treten sehr komplex wechselwirkende und wenig verstandene mehrphasige Prozesse auf, die dazu führen, dass die Potentiale dieser SCR-Technologien nicht voll ausgeschöpft werden.

Wie bereits erwähnt, wird die Harnstoff-Wasser-Lösung vor dem SCR-Katalysator in den heißen Abgasstrom injiziert. Sobald das Wasser aus der Lösung verdampft ist, findet die Harnstoffzersetzung in zwei globalen Reaktionsschritten statt. Der erste Schritt ist die Thermolyse des Harnstoffes zu Ammoniak und Isocyansäure. Der zweite Schritt ist die Hydrolyse der Isocyansäure zu Ammoniak und Kohlendioxid.

Je nach Belastung des Motors und je nach Abgasbedingungen beeinflussen die Harnstoffeinspritzung, die thermische Dekomposition und die damit verbundene Bildung der festen Nebenprodukte bzw. Ablagerungen den Wirkungsgrad des SCR-Systems. Die Ablagerung kann beispielweise zu einem Druckverlust, einer Verschlechterung des Abgasnachbehandlungssystems oder zu einer möglichen Deaktivierung des Katalysators führen.

Ziele

Aus diesem Grund ist das übergeordnete Ziel des Teilprojektes: (I) Entwicklung und Validierung einer LES-basierten Modellierung der Mehr-phasenströmungsprozesse, (II) Weiterentwicklung und Bewertung von wandangepassten LES-Modellen, (III) Modellierung der chemischen Umsetzung der Harnstoff-Wasser-Lösung, (IV) Modellformulierung für die chemisch reagierende Mehrphasenströmung in Wandnähe und (V) Beurteilung der Vorhersagefähigkeiten des Gesamtmodells durch den Vergleich mit experimentellen Arbeiten dieses Verbundes.

Methode

Die folgenden Methoden werden entwickelt, weiterentwickelt bzw. verwendet, um die Arbeitsziele zu erreichen:

• Eine Euler-Lagrange-Vorgehensweise, in der eine dreiphasige (Gas-, Feststoff- und Tropfenpartikel) Lagrange-basierte Formulierung in Anlehnung an [9] integriert wird. Dabei werden Strahlzerfallsprozesse, turbulente Partikeldispersion, Mehrkomponenten-Verdampfung, Partikel-Partikel-Interaktion, Spray-Wand-Interaktion inklusive Wandfilm-Verdampfung und Partikelabscheidung bzw. Ablagerungen integriert. Die Euler’sche Beschreibung der Gasphase wird im LES-Kontext realisiert.

• Eine LES-Beschreibung mit wandangepassten SGS-Modellen (SGS: Subgrid Scale) und chemischen Reaktionen, mit der die reagierende, turbulente Gasphase unter Abgasstrangbedingungen korrekt beschrieben wird.

• Eine Modellierung der chemischen Reaktionen in der Gasphase über eine Reduktionsmethodik. Diese wird für turbulente und nichtadiabate wandnahe Bedingungen über eine Tabellierung integriert.

• Eine Beschreibung der Partikel-Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung über Dispersions- und Modulationsmodelle sowie über FDF-Methoden (FDF: Filtered Density Function) zur Modellierung der Gasphasenchemie.

Abbildung 1: Verdampfungsrate von Einzel Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) tropfen
Abbildung 1: Verdampfungsrate von Einzel Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) tropfen