Modelling of droplet-wall interaction in SCR aftertreatment systems

Abstract

Die selektive katalytische Reduktion (SCR) bildet den Stand der Technik in der Abgasnachbehandlung zur Stickoxidreduktion von Fahrzeugen mit selbstzündenden Verbrennungsmotoren. Eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) wird als Trägerflüssigkeit in den heißen Abgasstrom eingespritzt, wo sie verdampft und in gasförmigen Ammoniak umgewandelt wird. Der Ammoniak dient als Reduktionsmittel für die Stickoxide im SCR-Katalysator. Um die katalytische Fläche möglichst effizient zu nutzen, ist eine gleichmäßige Verteilung des Ammoniaks über den gesamten Katalysatorquerschnitt anzustreben. Eine Vielzahl an physikalischen Vorgängen beeinflusst dabei die Homogenität dieser Verteilung. Im Wesentlichen zu nennen sind die turbulente Gasströmung, die Einspritzung und Interaktion der HWL-Tropfen mit den heißen Rohrwänden und Mischeroberflächen der Abgasanlage und die Bildung und Verdampfung von Wandfilm. Die beschriebenen Mechanismen beeinflussen allerdings nicht nur die Aufbereitung und Verteilung des Ammoniaks im System, sondern sind auch wesentliche Einflussgrößen für die Bildung unerwünschter Ablagerungen. Die Tropfen-Wand-Interaktion ist somit ein ausschlaggebender Faktor für die Qualität eines SCR-Systems. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Daten im Bereich der Tropfen-Wand-Interaktion vorgestellt. Hierfür wurde eigens ein Prüfstand aufgebaut, der speziell auf die Untersuchung des Aufprallverhaltens unter Bedingungen ausgerichtet ist, wie sie in harnstoffbasierten SCR-Anlagen vorzufinden sind. In einem Temperaturbereich zwischen 150 und 400 °C, mit Tropfengrößen und -geschwindigkeiten, die representativ für die normalerweise verwendeten Niederdruck-Injektoren sind, und HWL als Arbeitsmedium, wurden die Versuche möglichst realitätsnah auf die Zielanwendung zugeschnitten. Ausgehend von den Ergebnissen und gewonnenen Erkenntnissen wurde anschließend ein Tropfen-Wand-Interaktionsmodell entworfen. Ein maßgeblicher Aspekt des Models ist dabei die Abbildung des thermisch induzierten Aufbruchs beim Kontakt von Tropfen mit heißen Oberflächen. Weiters ist das Tropfenaufprallverhalten mittels vier grundlegender Aufprallmechanismen und einer Überlagerung von Massenanteilen dieser Mechanismen dargestellt. Daraus ergibt sich automatisch die Möglichkeit, die graduellen Übergänge zwischen den verschiedenen Aufprallverhalten abzubilden, wie sie auch experimentell beobachtet wurden. Ein Modell ausder Literatur wurde herangezogen, um den Wärmeaustausch zwischen Tropfen und Wand während des Aufpralls zu bestimmen. Dieses wurde adaptiert, um in den massenanteilsbasierten Modellansatz für den Tropfenaufprall integriert werden zu können. Darüber hinaus wurde eine Parametrisierung mittels experimentell ermittelter Kontaktzeiten und Kontaktflächen während des Wandkontakts vorgenommen. Der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf das Aufprallverhalten wurde untersucht und in die Modellbeschreibung einbezogen. Dafür wurden Versuche mit unterschiedlichen Rauigkeiten und Oberflächenstrukturen durchgeführt. Abschließend wurde das dargestellte Tropfen-Wand-Interaktionsmodell in einen kommerziell erhältlichen CFD-Code implementiert. Somit konnten Validierungsfälle simuliert werden, um die Vorhersagequalität des Modells darzustellen. Der Temperaturabfall einer Platte, die mit einem intermittierenden HWL-Spray beaufschlagt wurde, konnte ebenso abgebildet werden, wie die Ammoniak-Gleichverteilung in einem SCR-System für Nutzfahrzeuge.

Selective catalytic reduction (SCR) is a state-of-the-art technology to reduce nitric oxide (NOx) emissions in vehicles with compression-ignited internal combustion engines (ICE). A urea-water solution (UWS) is injected into the hot exhaust gas as a carrier fluid that decomposes to gaseous ammonia. Ammonia acts as a reducing agent for the nitric oxides on the coated surfaces of the SCR catalyst. To use the catalytic surface efficiently, a homogeneous distribution of the ammonia at the catalyst inlet is crucial. Several physical processes influence this distribution, namely the turbulent gas flow, the injection of UWS droplets, the interaction of droplets with the hot walls of the exhaust system and mixing elements, and the formation and evaporation of wall film. These mechanisms affect not only the preparation and distribution of ammonia but also the risk of the formation of undesired deposits within the system. The droplet-wall interaction, consequently, represents a major influencing factor on the quality of an SCR system. In the course of this thesis, experimental results in the field of droplet-wall interaction are presented. A test bench was specifically set up to investigate this phenomenon under conditions typically found in urea-based SCR systems. In a temperature range between 150 and 400 °C, with droplet sizes and velocities representative for low-pressure injectors, and UWS as working fluid, the investigations were designed to best represent the target application. Based on the results and the knowledge gained, an impingement model was derived. One key aspect of the model is the thermal-induced breakup of droplets following contact with a hot wall. Additionally, the droplet-wall interaction is described based on a mass-fraction-weighted superposition of four basic impingement behaviours, which inherently enables the representation of the smooth transitions between different regimes that were observed experimentally. A model from the literature describing the heat transfer during droplet-wall interaction was adapted to fit the mass-fraction-based impingement model. Additionally, it was parameterised using experimental results regarding contact time and contact area during droplet-wall contact. The influence of the surface roughness on the impingement behaviour was investigated and included in the modelling approach. Experimental investigations with different surface roughnesses and structures were performed to gather the necessary data. Finally, the presented impingement model was implemented in a commercial CFD code. Thus, validation cases could be simulated to show the quality of the model in predicting the temperature change of an impingement surface exposed to intermittent UWS spray and the ammonia uniformity within a heavy-duty SCR system.