Modelling deposit formation in automotive SCR ystems

Abstract

Exhaust aftertreatment systems based on selective catalytic reduction (SCR) have been introduced on a broad scale to cope with nitrogen oxides (NOx) emissions of diesel engines and to comply with emission legislation. In automotive SCR applications urea water solution (UWS) has been established as a carrier substance for the reducing agent ammonia, the preparation of which happens in the form of a multi-stage decomposition process. However, during decomposition urea may undergo a number of undesired secondary reactions, leading to the formation of solid deposits. In order to ensure robustness of SCR system designs against deposit formation, a profound knowledge of the underlying mechanisms is an imperative. In addition, efficient SCR system design calls for a method that allows to predict the deposit formation risk in the early design stages. The present work demonstrates the mechanisms of deposit formation and provides a methodology for the numerical assessment of the deposit formation risk with computational fluid dynamics (CFD). Wall wetting was confirmed as a precursor of deposit formation. As primary impingement targets mixing elements show a high risk of deposit formation and therefore were put into the focus of this work. The critical injection rate, i.e. the maximum UWS mass the system was able to decompose without residue, increased exponentially with the mixing element temperature level. The consecutive steps of deposit formation were wall wetting, liquid film accumulation, deposit nucleus formation, and deposit accumulation. In areas of initial wall wetting continuous dilution and intense mixing of the film effectively impeded deposition regardless of the temperature. However, as soon as the film left these areas deposit formation had to be expected. Deposition was impeded only locally if wall films trickled with high velocities and/or were particularly thick, e.g. in areas of accumulation. Wall film was extensively distributed at geometric inconsistencies, such as edges, holes, or blade joints. Most frequently, deposits formed at rear blade edges. Once a deposit nucleus had formed it could act as a starting point for further deposit accumulation both at its upstream and peripheral borders. Deposits formed over a wide range of operating conditions corresponding to mixer temperatures in the range 180...310 °C. The deposition temperature rose with the exhaust enthalpy flux and laid within a narrow temperature band. The area of solidification was determined by the balance between exhaust enthalpy flux and injection rate without altering the general liquid film pathways. Solidification occurred rapidly and deposits grew especially fast if the temperature level exceeded 290 °C. Deposits formed up to a temperature of 250 °C maintained a low and constant amount of temperature-stable components. Above 250 °C their fraction increased with temperature. Systematic decomposition experiments showed that the former required a moderate temperature increase to at least 350 °C whereas the latter needed temperatures exceeding 600 °C (DPF regeneration) to decompose fast. The evolution of the wall film pathways on the mixing element was simulated using a validated CFD model. Based on the experimental results a model was derived to assess the local deposit formation risk based on the interpretation of the combined impact of wall film pathways, impingement, wall film dynamics, thickness, velocity, and temperature level together with the local urea and HNCO concentration. Similarity principles were applied to lower the timescales of solid cooling. The model can predict the deposit formation risk as a function of the operating conditions and of fundamental design features, such as spay and mixing element geometry. The presented methodology can easily be implemented as an extension of state-of-the-art simulations of the ammonia homogenisation in realistic SCR system geometries.

Zur Absenkung der Stickoxidemissionen von Dieselmotoren und um die gesetzlich festgelegten Emissionsgrenzen einzuhalten, wurden in den vergangenen Jahren Abgasnachbehandlungssysteme auf Basis der SCR-Technologie (Selektive Katalytische Reduktion) eingeführt. Im Bereich automobiler Anwendungen hat sich die Verwendung einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als Trägersubstanz für das Reduktionsmittel Ammoniak bewährt. Die Aufbereitung der HWL läuft im Rahmen eines mehrstufigen Zersetzungsprozesses ab. Während der Zersetzung des Harnstoffs können jedoch eine Reihe unerwünschter Sekundärreaktionen auftreten, die in der Folge zur Bildung fester Ablagerungen führen. Um sicherzustellen, dass Systeme nicht zur Bildung von Ablagerungen neigen, ist es notwendig ein Verständnis über die zugrundeliegenden Mechanismen aufzubauen. Darüber hinaus trägt die Verfügbarkeit von Methoden, die die Vorhersage von Ablagerungsbildung bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses ermöglichen, sehr zu einer effizienten Systemauslegung bei. Die vorliegende Arbeit zeigt die Mechanismen der Ablagerungsbildung auf und beschreibt eine Methode, um das Ablagerungsrisiko mit Hilfe numerischer Strömungssimulation (CFD) beurteilen zu können. Die Ergebnisse bestätigen, dass Wandfilm ein Vorläufer von Ablagerungsbildung ist. In der vorliegenden Arbeit wurde ein besonderes Augenmerk auf die Untersuchung von Mischelementen gelegt, da diese als primäres Tropfenaufprallziel einemhohen Risiko für Ablagerungsbildung ausgesetzt sind. Die kritische Injektionsmenge, d.h. die maximale HWL-Menge, die vom System rückstandsfrei aufbereitet werden konnte, stieg mit steigender Mischertemperatur exponentiell an. Die aufeinanderfolgenden Schritte der Ablagerungsbildung waren Wandfilmbildung, Wandfilmakkumulation, Ablagerungskeimbildung und Ablagerungsakkumulation. Auf Flächen, die bereits beim ersten Tropfenaufprall benetzt wurden, wurde die Bildung von Ablagerungen durch kontinuierliche Verdünnung und intensive Durchmischung des Films unabhängig von der Temperatur verhindert. Sobald der Film diese Bereiche jedoch verließ, musste mit der Bildung von Ablagerungen gerechnet werden. Wenn der Wandfilm mit hoher Geschwindigkeit rann und/oder besonders dick war, dann verhinderte dies lokal die Ablagerungsbildung. An geometrischen Störungen, wie z.B. Kanten, Löchern oder Schaufelverbindungen, kam es zu einer starken Verteilung des Wandfilms. Ablagerungen bildeten sich in der Regel ausgehend von Schaufelhinterkanten. Sobald sich ein Ablagerungskeim gebildet hatte, konnte es sowohl stromaufwärts, als auch an seinen seitlichen Rändern zu einer weiteren Akkumulation kommen. Ablagerungen bildeten sich über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen, entsprechend Mischertemperaturen im Bereich 180...310 °C. Der genaue Ablagerungsort ergab sich aus der Balance zwischen Abgasenthalpiestrom und Injektionsrate, ohne dass sich dabei die grundsätzlichen Flüssigfilmpfade veränderten. Wenn das Temperaturniveau 290 °C überschritt, kam es rasch zur Solidifikation des Wandfilms und gebildete Ablagerungen wuchsen besonders schnell. Ablagerungen, die bei Temperaturen von bis zu 250 °C gebildet wurden, enthielten einen konstant niedrigen Anteil von temperaturstabilen Komponenten. Oberhalb von 250 °C stieg deren Anteil mit der Temperatur an. Systematische Zersetzungsexperimente zeigten, dass erstere einen moderaten Temperatursprung auf mindestens 350 °C benötigten, während letztere Temperaturen oberhalb von 600 °C (DPF Regeneration) benötigten, um sich schnell zu zersetzen. Die Ausbildung der Wandfilmpfade auf dem Mischelement wurde mit Hilfe eines validierten CFD Modells simuliert. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurde ein Modell abgeleitet, mit dem das lokale Ablagerungsrisiko bewertet werden kann. Um das Risiko zu bestimmen, wurden sowohl Wandfilmpfade, als auch Tropfenaufprall, Wandfilmdynamik, -dicke, -geschwindigkeit und -temperaturniveau, als auch die lokalen Harnstoff- und HNCO-Konzentration miteinbezogen. Die Zeitskalen der Wandkühlung wurden mit Hilfe von Ähnlichkeitsprinzipien reduziert. Das Modell ist in der Lage das Ablagerungsrisiko als Funktion der Betriebsbedingungen sowie in Abhängigkeit von grundsätzlichen Designmerkmalen, wie dem Spray und der Mischergeometrie, vorherzusagen. Die vorgestellte Methodik kann als Erweiterung von Ammoniak-Gleichverteilungsberechnungen implementiert werden und eignet sich zur Simulation realistischer SCR-Systemgeometrien.