Überblick

Die Technologie der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) wurde in großem Umfang zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen in Nutzfahrzeugkesseln, Müllverbrennungsanlagen und Dieselmotoren, einschließlich leichter und schwerer Nutzfahrzeuge und Schiffsanwendungen, eingesetzt. Im Falle mobiler Anwendungen ist Harnstoff aus Sicherheitsgründen die bevorzugte Ammoniakquelle und wird in Form einer eutektischen Harnstoff-Wasser-Lösung (UWS), auch als AdBlue bekannt, eingesetzt. Typischerweise wird UWS in den heißen Abgasstrom vor dem monolithischen Katalysator eingespritzt, wo der gelöste Harnstoff in Ammoniak umgewandelt wird.

Die Herausforderung besteht hier darin, für eine ausreichende Verweilzeit und Turbulenz zu sorgen, so dass eine ausreichende Menge und eine homogene Verteilung des Ammoniaks über die Vorderseite des Katalysators vorhanden ist und gleichzeitig die Größen- und Druckverlustbegrenzungen des Auspuffrohrdesigns innerhalb der engen Emissionsgrenzen erfüllt werden. Dennoch stellen die vollständige Sprühverdampfung und der Harnstoffabbau unter diesen Einschränkungen weiterhin eine Herausforderung dar, insbesondere aufgrund der instationären Motorlastbedingungen, die zu einem Aufprall der Tröpfchen auf die Mischerblätter und Auspuffrohrwände führen können, wodurch sich ein Flüssigkeitsfilm bildet. Bei ausreichender Verweilzeit führt die weitere Verdampfung des Flüssigkeitsfilms zur Bildung von Harnstoffkristallen und/oder festen Nebenprodukten. Folglich ist das richtige Verständnis der UWS-Zerstäubung sowie deren Verdampfung der Schlüssel zur erfolgreichen Implementierung der SCR-Technologie.

Beim ITS haben wir eine eigene Methodik entwickelt, um die verdampfenden UWS-Sprays unter realistischen Betriebsbedingungen zu charakterisieren. Die Messtechnik kombiniert Schattengraphik, mikroskopische Bildgebung und Laserdiagnostik, wodurch wir die Durchmesser und Geschwindigkeiten der einzelnen Tropfen verfolgen können.

Ein weiteres Ziel ist die Untersuchung des Primärzerfalls des UWS an der Hinterkante der Mischerschaufeln und dessen Beziehung zur Ablagerungsbildung. Für die numerische Simulation der transienten Zweiphasenströmung wird die Methode der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) verwendet, wobei die Dynamik der Ablagerungsbildung durch ein selbstentwickeltes stochastisches Ablagerungsmodell nachgeahmt wird.