Modernste Simulationstechnik für die Optimierung von SCR-Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung

Die Mischung macht’s

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Die Selektive Katalytische Reduktion ist eine von vielen Motorenherstellern bevorzugte Techno- logie, um die zunehmend strengen Abgasrichtlinien für Dieselmotoren erfüllen zu können. Die Vielzahl der zu berücksichtigenden Parameter bei Entwicklung und Optimierung dieser Systeme hat dazu geführt, dass verstärkt numerische Simulationsprogramme eingesetzt werden.

Der Autor Ulrich Feldhaus erstellte den Beitrag für die Ansys Germany GmbH, Darmstadt

Gleichgültig, ob man US-Normen (2010 EPA beziehungsweise Tier 4 Final) oder europäische Vorschriften (Euro V, Euro 6)betrachtet, ihnen allen ist gemeinsam, dass die Grenzwerte für Feinstaub und Stickoxide gegenüber den vorhergehenden Standards drastisch reduziert wurden. Mit innermotorischen Maßnahmen allein lassen sich die spätestens 2014 in Kraft tretenden Richtlinien nicht mehr erfüllen, weshalb sich die Motorenhersteller mit großem Engagement unterschiedlichen Techniken zur Abgasnachbehandlung widmen. Am weitesten verbreitet ist dabei die SCR-Technologie (Selective Catalytic Reduction), bei der dem Abgas Ammoniak zugemischt wird, wobei in der resultierenden Reaktion Wasser und Stickstoff entstehen. Die Umwandlungseffizienz dieser Technik kann mit modernen Closed-Loop-Systemen bis zu 95 % betragen.
Herausforderungen bei der SCR-Entwicklung
Will man das Potenzial der SCR-Technologie voll ausnutzen und sicherstellen, dass die geplante Leistung für alle Betriebszustände des Motors aufgebracht werden kann,müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt und aufeinander abgestimmt werden. Darüber hinaus gilt es, prozessspezifische Probleme zu vermeiden, wie beispielsweise den sogenannten Ammoniakschlupf oder das Auskristallisieren von Harnstoff. Während beim Ammoniakschlupf unreagiertes Ammoniak ausgestoßen wird, initiiert durch eine zu hohe Einspritzrate, eine ungenügende Katalysatorfläche oder eine ungleichmäßige Mischung, lagert sich bei der Kristallisation überflüssiger Harnstoff an den Oberflächen an und kann zu höherem Verbrauch oder Leistungsminderung führen.
Mehr Durchsatz und tieferes Verständnis
Geht es um Designsicherheit und das Verständnis von Abhängigkeiten und Zusammenhängen, dann sind 50 Versuche besser als fünf. Betrachtet man allerdings Zeit und Kosten für physische Prototypen und Tests, dann ist es genau andersherum – zumal bei der SCR-Entwicklung leicht mehrere hundert Tests notwendig wären, wollte man alle geforderten Nachweise erbringen beziehungsweise Betriebszustände abdecken.
Anders bei der Simulation: Ist ein (parametrisches und auch kalibriertes) Berechnungsmodell vorhanden, dann sind der Berechnung einer Vielzahl von Varianten allenfalls Kapazitätsgrenzen gesetzt. Speziell für die zunehmend komplexer werdenden Optimierungsaufgaben ein unschätzbarer Vorteil. Zwar wird auch bei der Simulation nicht völlig auf Tests verzichtet, sie dienen jedoch vorrangig der Kalibrierung des Simulationsmodells beziehungsweise der Verifizierung der Berechnungen.
Auch eine große Anzahl an Versuchen kann jedoch nicht in allen Belangen mehr Licht ins Dunkel bringen, etwa wenn es darum geht, Strömungs- oder auch Druckgradienten experimentell zu bestimmen. Hier kann die Simulation einen weiteren Pluspunkt sammeln. Alle Ergebnisse, also Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen, Temperaturen, Drücke, Stoffkonzentrationen, lassen sich in grafischer und animierter Form darstellen, wobei beliebige Ansichten und Ausschnitte möglich sind, ebenso wie beliebige Schnitte durch das Berechnungsmodell gelegt werden können. Kritische Bereiche, beispielsweise Totwassergebiete, können so leicht identifiziert und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Multi-disziplinäre Simulation unerlässlich
Die Vielfalt der bei Entwicklung und Optimierung adressierten Bereiche – Strömungsmechanik, chemische Reaktionen, Wärmeübertragung und Strukturmechanik – macht den Einsatz einer neuen Generation von Entwicklungswerkzeugen notwendig, wie der Ansys Workbench. Sie sind in der Lage, multidisziplinäre Aufgabenstellungen schnell, genau und mit einem für den Anwender vertretbaren Aufwand zu lösen. Eine solche Lösung sollte eine Reihe von unverzichtbaren Fähigkeiten und Merkmalen aufweisen, unter anderem:
  • Bidirektionale CAD-Konnektivität
  • Parametrisches Simulationsmodell
  • einheitliche Umgebung und Datenbasis für Computational Fluid Dynamics (CFD), Finite Elemente Analyse (FEA) und eventuell weitere Berechnungsprogramme
  • Möglichkeiten für Entwurfsanalyse, Optimierung, Design of Experiments (DOE)
Während die CFD-Analyse für die Berechnung der Mischung Harnstoff/Abgas, Verdunstung und Zersetzung, chemischer Reaktionen und des resultierenden thermischen Verhaltens von Abgas und Komponenten zuständig ist, wird mit der FEA das strukturelle Verhalten der Komponenten und des Gesamtsystems analysiert. Die Programmarchitektur ermöglicht darüber hinaus, mittels Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) Belastung und Verformung der SCR-Struktur zu ermitteln.
Automatisierung steigert Simulationseffizienz
Das automatisch erzeugte CFD-Simulationsmodell erfasst den Bereich vor dem Harnstoff-Dosierer bis zum Ausgang des Katalysators, die eigentliche Simulation startet mit der Einspritzung von wässrigem Harnstoff in das Abgas.
Besonderes Augenmerk gilt dabei zum einen dem Mischprozess Ammoniak-Abgas, wobei die Harnstoffeinspritzung als diskrete Partikel-Strömung simuliert wird, sowie den nachfolgend ablaufenden chemischen Reaktionen. Darüber hinaus sind natürlich die thermischen Belastungen von Interesse, die bei Prozesstemperaturen jenseits 500 °C auf die Struktur einwirken, speziell unter dem Aspekt von wechselnden Lastbedingungen, welche die Neigung zu thermischer Ermüdung erhöhen.
Designoptimierung
Traditionell wird bei einer Optimierung lediglich der Einfluss einzelner Parameter untersucht. Interaktionen zwischen unterschiedlichen Parametern können dazu führen, dass auf diese Weise lediglich ein lokales und nicht das globale Optimum ermittelt wird. Ansys bietet jedoch die Möglichkeit, durch die Nutzung von Design of Experiments (DOE) in Kombination mit Response Surfaces (RSM) Effekte unterschiedlicher Parameter in relativ wenigen Berechnungsläufen zu analysieren und mit hoher Wahrscheinlichkeit das globale Optimum zubestimmen.
Das Erstellen der Inputs sowie die Definition der Variationsparameter kann bei umfangreichen Optimierungsaufgaben ein recht aufwändiges Unterfangen sein. Moderne Simulationslösungen ermöglichen durch den Aufbau problemspezifisch angepasster Oberflächen (zum Beispiel Projektfenster für die Aufgabenbeschreibung mit Vorgabe von Standardwerten) eine weitgehende Automatisierung, um durch eine Serie von Iterationen mit Variation der Designvariablen den gesamten Designraum abzudecken. Die Variation der Einspritzparameter oder der Mischergeometrie sind Beispiele für aussagekräftige ‚Was-Wenn‘-Untersuchungen.
Ansys; Telefon: 06151 3644-0; E-Mail: info-germany@ansys.com

Multidisziplinäre Zusammenhänge
Heutige Simulationslösungen wie die Ansys Workbench sind in der Lage, komplexe multidisziplinäre Zusammenhänge, wie sie bei der Analyse von SCR-Konzepten gegeben sind, mit großer Genauigkeit zu berechnen. Bedenkt man weiterhin, dass bei der simulationsbasierenden Optimierung von SCR-Konstruktionskonzepten weitaus mehr Designparameter berücksichtigt werden können und eine deutlich höhere Abdeckung des Konstruktionsraums möglich ist als bei konventionellen Ansätzen, dann wird deutlich, dass nicht nur die Produktqualität profitiert, sondern sich gleichzeitig deutliche zeitliche und finanzielle Einsparungen ergeben.
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