Ablagerungsphänomene bei der Aufbereitung einer Harnstoffwasserlösung zur selektiven katalytischen Reduktion in einer Dieselabgasanlage

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit den, unter bestimmten Betriebsbedingungen auftretenden, Ablagerungserscheinungen bei der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR) im Dieselabgas. Bei der selektiven katalytischen Reduktion wird ein Reduktionsmittel über einen Injektor in den Abgasstrang eingebracht, um hierbei Ammoniak freizusetzen, welches die Stickoxidemissionen im SCR-Katalysator zu Stickstoff auf chemischem Wege reduziert. Seit der Anwendung von SCR-Katalysatoren in Zusammenhang mit der Verwendung einer Harnstoff-Wasser-Lösung (Adblue®) treten auch unerwünschte Ablagerungserscheinungen im gesamten SCR-System auf. Diese Ablagerungen entstehen durch unvollständige Hydrolyse. Das bedeutet, dass das Zwischenprodukt Isocyansäure nach der Harnstoffzersetzung (Thermolyse des Harnstoffs zu Ammoniak und Isocyansäure) nicht zu Ammoniak hydrolysiert wird. Die auf diese Weise verursachten Ablagerungen können neben einer Reduzierung der Stickoxidreduktion zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Funktionsweise des SCR-Systems führen. Ausgehend von Gleichverteilungsuntersuchungen des Ammoniaks am SCR-Katalysator zur ersten Beurteilung der Qualität der SCR-Mischstrecke wurden verschiedene Messungen durchgeführt, um die einzelnen Phänomene und Eekte bei der Ablagerungsbildung zu verstehen und zu quantifizieren. Zu Beginn der Ablagerungsuntersuchungen wurde ein Spraytargeting des Injektors mittels fluoreszierendem Tracer durchgeführt, um erste Aussagen über mögliche Ablagerungsbereiche am Mischelement treffen zu können. Anhand von eigenen definierten Ablagerungsbetriebspunkten bei Temperaturen unmittelbar ab Dosierfreigabe des Steuergeräts von ca. 180°C Abgastemperatur wurden zunächst rein optisch die Ablagerungsbereiche sowie die „Schwere“ der Ablagerungen bewertet. Zudem wurde mittels Temperaturmessungen versucht, basierend auf entsprechenden Temperaturänderungen Aussagen über mögliche Entstehungsbereiche für Ablagerungen zu treffen. Ausgehend von den Ablagerungstests am Motorprüfstand wurde ein vereinfachter Grundlagenversuch aufgebaut, welcher annähernd den Rahmenbedingungen an der Injektoraufnahme entsprach. Dies ermöglichte eine verbesserte optische Zugänglichkeit des Düsensitzes, um speziell die Ablagerungsentstehung an dieser Stelle näher zu untersuchen, welche im Rahmen dieser Arbeit am kritischsten eingestuft wurde. Bei den Untersuchungen des Grundlagenversuches wurde sowohl eine Highspeed-Kamera als auch eine digitale Spiegelreflexkamera für Zeitrafferaufnahmen herangezogen. Abschließend wurde eine chemische Analyse der festen Ablagerungen aus dem SCR- System durchgeführt. Dabei wurden, ausgehend von einem bestimmten Ablagerungsbetriebspunkt, Proben an verschiedenen Positionen der SCR-Mischstrecke entnommen. Obwohl nicht alle Spezies in den Ablagerungsproben eindeutig analysiert werden konnten, lieferte diese Untersuchung erste Erkenntnisse über die Ablagerungszusammensetzung bei niedrigen Abgastemperaturen. |