Prüfstandsadaptierung für die experimentelle Untersuchung des Tropfenaufprallverhaltens auf beheizten auswechselbaren Oberflächen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit

Abstract

Der Dieselmotor wird trotz zunehmender Elektrifizierung seinen Stellenwert als Antriebsquelle für Transport- und Nutzfahrzeuge weiterhin für sich beanspruchen. Durch immer strenger werdende Emissionsvorschriften ist es daher notwendig, sich mit dem Thema Schadstoffreduzierung und im Speziellen mit der Reduzierung von Stickoxiden auseinanderzusetzen. Stickoxide sind neben Partikeln, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen jene Emissionen, die zu Schleimhautreizungen beim Menschen führen. Um Stickoxide mit Hilfe einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu reduzieren, ist es notwendig, Ammoniak hinzuzufügen. Da jedoch Ammoniak als Reinstoff giftig wirkt, wird es – bevor es in den SCR Katalysator eintritt, in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) – dem Abgas beigemischt. Diese tropfenförmige HWL trifft auf den heißen Abgaskanal, interagiert mit der Wand und verdampft. Durch die thermische Zersetzung von Harnstoff und die Hydrolyse der entstehenden Isocyansäure wird Ammoniak in gasförmiger Form freigesetzt, welches den Abgasstrom durchsetzt, bevor es auf den SCR Katalysator trifft. Die Wechselwirkung mit der Wand und das Entstehen von Sekundärtröpfchen soll in einem Teilgebiet dieser Arbeit mittels experimenteller Bestimmung des Auftreffverhaltens eines Tropfens auf einer heißen Oberfläche nachempfunden werden. Durch diese experimentellen Versuche können anschließend Tropfenaufbruchsformen, sogenannte Regime, bestimmt werden. Diese Regime sind in einem Diagramm, einem sogenannten Impingement-Diagramm, über die beiden Kennzahlen Weberzahl und Oberflächentemperatur, welche in dieser Arbeit noch erläutert werden, dargestellt.Ein weiteres Teilgebiet dieser vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Adaptierung eines bereits bestehenden Prüfstandes für Impingement-Untersuchungen an Prüfplatten mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur.Den Abschluss dieser Arbeit bildet ein Vergleich eines bereits aus der Literatur bekannten Impingement-Diagramms und eines aus den vorliegenden Messungen erhaltenen Diagramms.

Despite increasing electrification, the diesel engine will continue to claim its place as a power source for transport and commercial vehicles.As a result of increasingly stringent emission regulations, it is therefore necessary to address the issue of pollutant reduction and, in particular, the reduction of nitrogen oxides. Nitrogen oxides, along with particulates, carbon monoxide and unburned hydrocarbons, are those emissions that cause mucous membrane irritation in humans. To reduce nitrogen oxides using selective catalytic reduction (SCR), it is necessary to add ammonia. However, since ammonia is toxic as a pure substance, it is added to the exhaust gas in the form of a Urea-Water Solution (UWS) before it enters the SCR catalytic converter. This liquid UWS meets the hot exhaust gas channel, interacts with the wall, evaporates and the thermal decomposition of urea and hydrolysis of the resulting isocyanic acid releases ammonia in gaseous form, which mixes with the exhaust gas stream before meeting the SCR catalyst.This droplet-wall-interaction and the formation of secondary droplets is to be investigated in one part of this work by means of experimental determination of the impact behaviour of a droplet on a hot surface. These experimental tests can then be used to determine droplet breakup shapes, so-called regimes. These regimes are plotted in a diagram, a so-called impingement- diagram, over the two key figures, Weber number and surface temperature, which will be explained later in this paper.Another part of this thesis deals with the construction and adaptation of an already existing test rig for impingement investigations on test plates with different surface structures.The conclusion of this work is a comparison of an impingement- diagram already known from the literature and a diagram obtained from the present measurements.