Simulation of the urea-water-solution preparation and ammonia-homogenization with a validated CFD-model for the optimization of automotive SCR-systems

Abstract

Die Selektive Katalytische Reaktion stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Erfüllung zukünfiger gesetzlicher Stickoxidgrenzwerte für Dieselmotoren dar. In der automobilen Anwendung basiert das Verfahren auf der Injektion einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) in das heiße Abgassystem. Nach der Verdampfung des Wassers aus dem feinen Spray, zersetzt sich der Harnstoff in einem chemo-physikalischen Prozess zu gasförmigem Ammoniak. Dieses dient an einem stromab liegenden SCR-Katalysator der chemischen Reduktion der motorischen Stickoxide. Wesentliche Kriterien eines effizienten SCR-Systems stellen die schnelle Aufbereitung der HWL und eine hohe Gleichverteilung von Ammoniak am Katalysator dar.<br />Die vorliegenden Arbeit beschreibt die Bestimmung, Anpassung und Integration relevanter Sub-Modelle für ein präzises CFD-Modell der Prozesskette vor dem SCR-Katalysator. Auf Basis von Literaturdaten wird ein Modell der HWL-Zersetzung implementiert. Mit Hilfe von Videoanalysen der Wandfilmbildung und Literaturdaten wird ein komplexes Tropfen- Wand-Interaktionsmodell für das HWL-Spray adaptiert. Die thermische Modellierung von Rohrwänden und Mischerelementen ist dabei von hoher Relevanz für eine korrekte Prognose derWandtemperaturen, und damit den Tropfen-Wand-Kontakt und dieWandfilmbildung.<br />Validierung erfolgt durch Infrarot-Thermografie. Das Zwischenspeichern von Ammoniak durch Wandfilm wird mit dem CFD-Modell analysiert und mit transienten FTIR- Ammoniak- Konzentrationsmessungen korreliert. Eine Laboranalyse der Wandfilmzusammensetzung dient der Überprüfung des HWL-Zersetzungsmodells. Das abgestimmte Modell beschreibt das Verhalten der HWL für einen weiten Betriebsbereich, von ausgeprägter Wandfilmbildung bis zum thermischen Aufbruch von Tropfen jenseits der Leidenfrosttemperatur. Das Modell wird zur Simulation einer seriennahen PKW-SCR-Anlage, mit einem Drall- Mischerelement angewendet. Der Einfluss des Turbulenzmodells und des räumlichen Diskretisierungsschemas auf die Ammoniakhomogenisierung wird überprüft. Die Studie zeigt, dass etablierte k-eps-Modelle das Turbulenzniveau, damit die turbulente Diffusion und in Folge die Ammoniakhomogenisierung in der Drallströmung unterschätzen. Ein Reynolds-Spannungs-Modell (RSM) führt durch Berücksichtigung der Anisotropie der Turbulenz zu deutlich besseren Vorhersagen. Ferner zeigt sich eine hohe Sensitivität des Speziestransports bezüglich der numerischen Diskretisierung. Die Relevanz des Tropfen-Wand-Interaktionsmodells für die Prognose der Homogenisierung am Katalysator wird dargelegt. Die numerischen Ergebnisse werden mit Messungen der Reduktionsmittelverteilung und Gegendruckmessungen des Mischsystems validiert.<br />Die dargelegte Methode ermöglicht eine präzise Vorhersage der HWL-Aufbereitung und Ammoniak- Gleichverteilung für einen weiten Betriebsbereich.<br />

The Selective Catalytic Reduction (SCR) is a promising approach to meet future legislation regarding the nitric oxide emissions of Diesel engines. In automotive applications a liquid urea-water-solution (UWS) is injected into the hot exhaust gas that evaporates and reacts to ammonia vapor, acting as the reducing agent on a downstream SCR-catalyst. Significant criteria for an efficient SCR-system are a fast UWS preparation and a high ammonia uniformity at the catalyst intake.<br />This work presents the determination, adaption and integration of relevant submodels to establish a CFD simulation method for the evaluation of UWS based SCR-systems. A systematic experimental and numerical breakdown of the UWS preparation and ammonia mixing process is carried out to determine the relevant modelling depth for each step. A UWS decomposition model is implemented and validated with literature data. On the basis of video analysis of liquid film formation and available literature data, a multi-regime droplet-wall-interaction model is adapted to UWS. The necessity of a conjugate heat transfer model of the exhaust system walls, to correctly capture wall temperature dependent droplet impingement and liquid film boiling is proved. Validation is performed by transient infrared thermal imaging. Buffering of ammonia by liquid film formation is analyzed with the CFD-model and correlated to transient FTIR-concentration data. The liquid film decomposition model is validated by a comparison to a liquid film probe analysis. The resulting liquid phase model covers a wide range of operating conditions, from massive wall wetting at low- to classical Leidenfrost phenomena at high exhaust temperatures.<br />The liquid phase UWS model is applied to a passenger car SCR-system, with a mixing element creating a turbulent swirling flow upstream of the SCR-catalyst. The impact of the turbulence model and the numerical differencing scheme on the prediction of the mixing process of the gaseous ammonia is analyzed. The study proves the high impact of an advanced second order differencing scheme on the species transport. It further shows that Reynolds averaged k-eps-models systematically underestimate the turbulence level in the swirl flow and, in consequence, the turbulent diffusion and homogenization of the ammonia vapor. In contrast, a Reynolds-Stress-model (RSM) leads to improved predictions by accounting for the anisotropic character of turbulence in the swirl. The relevance of a detailed simulation of the liquid phase dynamics and -evaporation for precise ammonia homogeneity predictions is proved. Numerical results are validated with measurements of back pressure and the spatial ammonia distribution at the catalyst.<br />The presented method allows a precise prediction of the ammonia homogenization and an estimation of liquid film deposition risks for a wide range of operating conditions.<br />