Modellentwicklung einer Abgasnachbehandlung mit selektiver katalytischer Reduktion Heißgasprüfstand für Prinzipuntersuchungen - AutomobilKONSTRUKTION

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Modellentwicklung einer Abgasnachbehandlung mit selektiver katalytischer Reduktion

Heißgasprüfstand für Prinzipuntersuchungen

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Im Bereich der Nutzfahrzeuge werden seit Jahren schadstoffarme Antriebe gefordert. Daher werden bei Dieselmotoren aufwendige Abgasnachbehandlungssysteme nachgeschaltet. Um die gesetzlichen Grenzwerte für Stickoxide auch im realen Fahrbetriebe einzuhalten, sind Umwandlungsraten von über 95 % notwendig. Das stellt das Fahrzeugs vor allem beim Kaltstart vor große Herausforderungen. Das Virtual Vehicle Research Center erstellt in Kooperation mit der AVL List GmbH ein Modell zur Beschreibung der Wandtemperaturen, Gaskonzentrationen, Ablagerungen an den Wänden und Umwandlungsraten. Die Validierung des Modells erfolgt am Heißgasprüfstand des Virtual Vehicle.

Der Autor: Christian Santner von Manggei Technology für Virtual Vehicle, Graz, Österreich

Der Dieselmotor ist im Nutzfahrzeugsektor noch immer der verbreitetste Antrieb. Er ermöglicht hohe Wirkungsgrade, hat aber Nachteile in den Rohemissionen wie z.B. bei Stickoxid und Partikeln. Eine Möglichkeit zu deren Reduktion ist die Abgasrückführung. Dabei kommt ein negatives Spülgefälle zum Einsatz, in dem der Abgasgegendruck höher als der Ladedruck ist. Leider steigt durch die dafür notwendige Ladungswechselarbeit wiederum der Kraftstoffverbrauch. Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen sind den Maßnahmen zur NOx-Reduktion innerhalb des Motors Grenzen gesetzt. Um die Grenzwerte aktueller Abgasvorschriften nicht zu überschreiten, sind daher Abgasnachbehandlungssysteme notwendig. Deren Einsatz erhöht zwar einerseits die Herstellungskosten, andererseits entsteht dadurch die Möglichkeit wirkungsgradrelevante und emissionsrelevante Maßnahmen voneinander zu trennen. Erreicht man den Großteil der notwendigen NOx-Reduktion durch außermotorische Maßnahmen, kann der Motor selbst mit höheren Wirkungsgraden betrieben werden, wodurch wiederum die CO2-Emissionen reduziert werden.
Systemübergreifende Betrachtung
Die außermotorische NOx-Reduktion, die zur Einhaltung der Abgasnorm Euro VI notwendig ist, hängt vom NOx-Engine Out Niveau ab. Durch eine Steigerung des Wirkungsgrads von 90 auf 95 % wird die Rohemission fast verdoppelt. Der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung, der im Fahrbetrieb erreicht werden kann, wird von der Auslegung der Komponenten und von betriebs- und umweltbedingten Gegebenheiten bestimmt. Eine weit verbreitete Technologie zur NOx-Reduktion ist die selektive katalytische Reaktion (SCR). Dabei spielt die Temperatur eine wichtige Rolle, es sind nämlich mindestens 250 °C notwendig, um Wirkungsgrade über 90 % und damit eine hohe NOx-Konvertierungsrate zu erreichen und um die Bildung von Ablagerungen zu vermeiden. Eine optimal ausgelegte SCR-Anlage kann auch bei niedrigeren Temperaturen hohe Umwandlungsraten erzielen und damit Emissionsspitzen bei Kaltstart abfangen.
Betriebsparameter des Heißgasprüfstands
Für Prinzipuntersuchungen und zur Bereitstellung von Messdaten zur Modellerstellung von SCR-Anlagen bzw. zur Validierung von unterschiedlichen Konzepten steht am Virtual Vehicle ein Heißgasprüfstand zur Verfügung. Bei der Konzeption des Prüfstands wurde ein besonderes Augenmerk auf die optische Zugänglichkeit gelegt. Dadurch ist es möglich, sehr viele wichtige Messparameter ohne aufwändige Probenahme zu erfassen.
Zur Validierung von Modellen sind genaue Eingangsparameter unabdingbar. Der Heißgasprüfstand liefert eine genau definierte Rohrströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit bis zu 70 m/s und einer Temperatur von 500 °C mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt der Testkammer.
Die Messungen am Heißgasprüfstand werden in einer einfach austauschbaren Teststrecke durchgeführt. Diese besteht aus Quarzglas und ist damit optisch vollkommen zugänglich. Das erlaubt den Einsatz von nicht invasiven optischen Messverfahren.
Die Testkammer ist mit einer hochgenauen Waage ausgestattet, auf der Prallplatten und Mischelemente angebracht werden können, die über einen SCR-Injektor mit einer Harnstoff/Wasserlösung (AdBlue) beaufschlagt werden können. Mit der Waage kann während des Betriebs die Masse der flüssigen und festen Ablagerungen bestimmt werden.
Die Oberflächentemperaturen sind für die Umwandlungsraten und die Bildung von Ablagerungen von entscheidender Bedeutung. Diese werden zweidimensional mit einer Thermographiekamera als auch mit Pyrometer erfasst.
Bei ungünstigen Betriebsbedingungen wird das AdBlue nicht vollständig in Ammoniak umgewandelt, sondern es bilden sich Ablagerungen bestehend aus unterschiedlichen Stickstoffverbindungen (z.B. Biuret). Diese Ablagerungen können mit einem 3D-Scanner mit einer hohen Auflösung erfasst werden.
Auf der Prallplatte bildet sich zunächst ein flüssiger Wandfilm, der über Scherkräfte von der Luftströmung weiter transportiert wird. Die Höhe des Wandfilms ist ein wichtiger Parameter und wird über eine Fluoreszenzmethode zweidimensional erfasst. Dem AdBlue wird eine geringe Menge Eosin beigemengt, das über ultraviolette Strahlung zur Fluoreszenz angeregt wird. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung ist proportional zur Höhe des Flüssigkeitsfilms.
Bei einer SCR-Anlage reagieren Ammoniak und die gesundheitsgefährdenden Stickoxide zu Wasser und Stickstoff. Für einen hohen Wirkungsgrad ist daher eine gleichmäßige Konzentration über den gesamten Querschnitt der Abgasanlage wichtig. Eine zu hohe Ammoniakkonzentration erhöht den Verbrauch von AdBlue und kann zu einem Ammoniakdurchbruch führen. Eine zu geringe Konzentration wiederum senkt des Wirkungsgrad der SCR-Anlage. Aus diesem Grund ist die Testkammer mit Systemen zur Erfassung der Gaskonzentrationen ausgerüstet. Die Messung erfolgt in-situ in der Testkammer, um Schwierigkeiten bei der Probenahme zu vermeiden.
Die Ammoniakkonzentration wird mit einem UV-VIS-Spektrometer erfasst. Isocyansäure, das ebenfalls aus Harnstoff gebildet wird und sich erst in Folge zu Ammoniak zersetzt, wird mit Infrarotspektroskopie erfasst. Mit diesen beiden Methoden kann die mittlere Konzentration entlang des Pfades zwischen Lichtquelle und Detektor bestimmt werden.
Ammoniak per Licht messen
Für die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Messung der Ammoniakkonzentration wurde der tomographisch optische Ammoniakdetektor (Toad) entwickelt. Es werden mehrere Lichtstrahlen durch das Testvolumen geschickt. Die Abschwächung des Lichtstrahls im ultravioletten Spektralbereich ist direkt proportional zur Ammoniakkonzentration. Aus der Absorption der Lichtstrahlen kann dann über tomographische Methoden auf die Konzentrationsverteilung geschlossen werden.
In Abhängigkeit vom eingebrachten AdBluemassenstrom, der Temperatur und des Massenstroms der Zuluft verdampft zunächst des Wasser im Wandfilm und es können sich feste Ablagerungen bilden. Aufgrund des verdampfenden Wassers steigt die Harnstoffkonzentration im Wandfilm. Dieser Konzentrationsanstieg wird über Reflexionsspektroskopie ermittelt. Dabei wird ein Lichtstrahl im infraroten Spektralbereich vom Wandfilm reflektiert. Der Reflexionsgrad im Wellenlängenbereich zwischen 9 und 11 m ist im direkten Zusammenhang zur Harnstoffkonzentration. Damit kann der Verdunstungsprozess und der damit verbundene Anstieg der Harnstoffkonzentration ohne aufwändige Probenahme erfasst werden. Mit derselben Messmethode können die festen Ablagerungen qualitativ beschrieben werden.
Virtual Vehicle
Tel.: +43 664 88518030
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