CFD-Simulation and Validation of the Ammonia Homogenisation in SCR Systems / CFD-Simulation und Validierung der Ammoniakaufbereitung in SCR Systemen

Abstract

Eine immer strengere Gesetzgebung für Dieselfahrzeuge erfordert eine signifikante Reduzierung der Stickoxid-Emissionen (NOx). Selektive Katalytische Reduktion (SCR) ist eine vielversprechende, technische Lösung, um die zukünftigen Anforderungen an automobile Anwendungen zu erfüllen. Das Reduktionsmittel Ammoniak wird dabei aus einer Harnstoff-Wasserlösung (HWL) vor dem SCR-Katalysator generiert. Die Auslegung von SCR Systemen und Optimierung hinsichtlich einer schnellen Ammoniakaufbereitung kann mittels CFD-Methoden, bei vergleichsweise niedrigen Kosten, deutlich beschleunigt werden. Gut abgestimmte CFD Modelle sind darum unabdingbar zur Berechnung der Ammoniakhomogenisierung mit hoher Prädiktivität. Die vorliegende Arbeit präsentiert Simulationsergebnisse, welche an zwei typischen Abgassystemen generiert wurden. Auf kritische Submodelle (Tropfen/Wand Interaktion, Leidenfrosteffekt), welche für die Ammoniakaufbereitung und Durchmischung relevant sind, wird gesondert eingegangen. Die Implementierung und Kalibrierung anhand von Messdaten und Literaturdaten wird gezeigt. Im Anschluss wurden die Simulationsergebnisse mit Gleichverteilungsmessungen vom Prüfstand validiert. Um die entwickelte Methodik zu evaluieren, wurden unterschiedliche Mischergeometrien, Abgastemperaturen und Massenströme für beide Abgasanlagenkonzepte untersucht. Ein neuartiger Ansatz zur Simulation der turbulenten Ammoniakmischung im heißen Abgas wurde eingeführt. Mittels Large Eddy Simulation (LES) wurde die Turbulenzunterschätzung von Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Ansätzen bestimmt. Durch Kompensierung dieser Modellschwäche konnte die Vorhersagegenauigkeit des turbulenten Speziestransportes gesteigert werden. Der CFD-Ansatz stellt somit eine vielversprechende Methode zur akkuraten Beschreibung des SCR-Prozesses dar.

A more and more restrictive legislation for diesel engines will require a significant decrease of nitric oxide (NOx) emissions in the future. Selective Catalytic Reduction (SCR) is one of the most promising technical approaches to fulfil the requirements of automotive applications. Typically, the reducing agent ammonia is generated from injected Diesel Exhaust Fluid (DEF) upstream of the SCR catalyst. With the CFD methodology, the design and the optimization of SCR systems regarding a fast preparation of ammonia can be accelerated at lower costs compared to experimental works. Therefore, well calibrated CFD models are required to calculate the ammonia homogenisation and to achieve a high predictive accuracy. The paper at hand presents simulation results which were carried out for two exhaust systems that are representative for typical automotive applications. Crucial sub models (spray wall interaction, Leidenfrost effect) which are relevant for the ammonia preparation and mixing are highlighted. Their implementation and calibration against measurement data from literature is given. Subsequently, the simulations were validated against measured ammonia distributions on the test bench. Different mixer geometries, exhaust temperatures and mass flows were investigated for both exhaust system concepts in order to validate the capabilities of the simulation methodology. Additionally, a novel approach to simulate the turbulent mixing of ammonia in the hot exhaust gas was introduced. The Large Eddy Simulation (LES) helped to estimate the turbulence underestimation of the Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) approach and therefore the prediction accuracy of the turbulent species transport could be increased. In conclusion, the CFD approach represents a promising methodology for the future prediction of SCR processes