Thema
Grundlegende experimentelle und numerische Untersuchungen zur Ablagerungsbildung und -zersetzung aus AdBlue in SCR-Systeme

Forschungsprogramm

• CORNET (Transnational Collective Research between SME Associations and Research Organisations)
• FFG-Basisprogramm (für Österreich)

Fördergeber

• Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG)
• Bundesministerium für Wirtschaft und Energie / Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen / Collective Research Networking (BMWi/AiF)
• Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. (FVV)

Projektpartner

• Projektpartner Österreich
  Fachverband der Fahrzeugindustrie Österreichs (FFOe) - Projektkoordinator
  Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, Prof. Geringer, Technische Universität Wien (TUW) - wissenschaftlicher Partner
• Projektpartner Deutschland
  Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. (FVV) - Projektkoordinator
  Institut für Technische Chemie und Polymerchemie, Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) - wissenschaftlicher Partner

Kurzfassung
Basierend auf immer strengeren Emissionsrichtlinien ist eine zukünftige weitere Minimierung der Stickoxid (NOx) Emissionen für Dieselmotoren notwendig. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) ist dabei in Verbindung mit anderen Abgasnachbehandlungskomponenten eine effiziente und weit verbreitete Methode zur Reduzierung der Stickoxide. Bei SCR Anlagen wird Harnstoff in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung (UWS) in den Abgasstrang injiziert. Die Verdampfung des Sprays und thermische Zersetzung des Harnstoffs führen zur Ammoniakentwicklung vor dem SCR-Katalysator. Die Tropfen der Harnstoff-Wasser-Lösung prallen häufig auf die heiße Abgaswand, wo sie in niedrigen Lastpunkten Wandfilm bilden. Angesammelter Wandfilm wiederum kann zu starker Ablagerungsbildung durch Harnstoff-kristallisation und Bildung von Nebenprodukten führen, die die Funktion des SCR Systems beeinträchtigen.

Diese Arbeit erforschte die Interaktion von AdBlue-Sprays mit heißen Abgaswänden, die resultierende Wandfilmbildung sowie das Entstehen fester Ablagerungen aus dem flüssigen Film. Für Untersuchungen im Anwendungsmaßstab wurden ein Laborgasprüfstand am KIT und ein Motorprüfstand an der TUW aufgebaut, die Experimente zur Film- und Ablagerungsbildung unter realitätsnahen Bedingungen ermöglichten. Die experimentell erzeugten, festen Ablagerungen wurden zur detaillierten Analyse der Topologie und der chemischen Zusammensetzung entnommen und durch thermogravimetrische Analyse (TGA) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) untersucht.

Basierend auf kinetischen Daten aus den Experimenten wurde ein bestehendes kinetisches Modell der Harnstoffzersetzung erweitert. Zusammen mit weiterentwickelten Modellen für die Spray/Wand-Interaktion, den Wärmeübergang und einem Ansatz zur deutlichen Beschleunigung der Simulationen, wurden erstmals sowohl physikalische als auch chemische Prozesse in der Mischstrecke von SCR Systemen in 3D-CFD-Simulationen abgebildet. Weiterhin wurde ein neues, kinetisches Modell vorgestellt, welches hauptsächlich auf thermodynamischen Daten und Gleichgewichtsprozessen basiert und eine detaillierte Vorhersage der Zersetzung von Harnstoff und Nebenprodukten und den experimentell auftretenden Effekten ermöglicht.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.

Abschlussbericht "AdBlue Deposits"