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Untersuchungen zur Durchströmung, Beladung und Regeneration eines Diesel-Partikelfilters

Shaker,
Buch
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Kurzbeschreibung

Aufgrund strenger gesetzlicher Vorgaben müssen Rußpartikel aus dem Abgas moderner Diesel-PKW durch Filtration abgeschieden werden. Durch den Aufbau einer Rußschicht auf der Oberfläche des Filters nimmt der Abgasgegendruck während des Fahrzeugbetriebs zu, so dass dieser in regelmäßigen Abständen durch Abbrand des eingelagerten Rußes regeneriert werden muss. Während des Rußabbrands kann es im Filter zu Temperaturüberhöhungen kommen, die zu dessen Zerstörung führen.
Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist ein Diesel-Partikelfilter auf der Basis eines Filtermediums aus Sintermetall, welches durch die Sinterung eines Edelstahlgranulats auf einem Edelstahl-Streckgitter hergestellt wird. Das Sintermetall-Verbundmaterial wird zu keilförmigen Filtertaschen gefaltet, welche ringförmig um eine zentrale Dichtscheibe angeordnet und verschweißt werden. Die Formstabilität der einzelnen Taschen wird durch wellenförmig gefaltete Abstandshalter aus Blech gewährleistet.
Das komplexe Strömungsfeld, die Verteilung des Rußes und der Ablauf der thermischen Regeneration in diesem Filter können durch die in der Literatur vorhandenen Modelle für keramische Wabenfilter nicht beschrieben werden.
Grundlage der Untersuchungen ist das numerische Strömungsmodell einer Einzeltasche des Filters unter Verwendung der Strömungssimulationssoftware Fluent. Durch eine Anpassung der Turbulenzmodelle für die Verwendung in Kombination mit porösen Zonen wird die Berechnung der turbulenten Anströmung des Filters ermöglicht. Die Gültigkeit des Strömungsmodells wird durch Abgleich von berechneten Ergebnissen mit Druck- und Geschwindigkeitsmessungen in einem messtechnisch zugänglichen Strömungsexperiment an einer Einzeltasche verifiziert.
Nachteil des entwickelten Modells ist die Größe des numerischen Gitters, welche von der komplexen Bauteilform, aber auch durch die notwendige Auflösung der Grenzschicht an der Oberfläche des porösen Filtermediums erzwungen wird. Das Modell zeigt, dass die Strömungsverteilung auf der Taschenoberfläche wesentlich durch die Form des Abstandshalters beeinflusst wird.
Eine Erweiterung des Strömungsmodells ermöglicht die Simulation des Rußschichtaufbaus auf der Taschenoberfläche. Hierzu wird angenommen, dass zu jedem Zeitpunkt die abgeschiedene Rußmenge zur Filtrationsgeschwindigkeit proportional ist, der Ruß also homogen im Abgas verteilt ist. Es wird gezeigt, dass wegen der geringen Größe der Rußteilchen diese Annahme eine zulässige Vereinfachung darstellt.
Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass bei geringer Beladung der Filtertasche mit Ruß dieser ungleich auf der Taschenoberfläche verteilt ist. Durch die Strömungsverluste in den Kanälen, welche durch den Abstandshalter im Inneren der Tasche gebildet werden, ist das treibende Druckgefälle im vorderen Bereich der Tasche in einigen Bereichen reduziert. Bei fortschreitender Beladung mit Ruß nimmt diese Ungleichmäßigkeit wegen der Dominanz der Strömungsverluste durch den Strömungswiderstand der Rußschicht ab. Beim voll beladenen Filter ist dann eine weitgehende Gleichverteilung des Rußes gegeben.
Die Ruß-Abbrandrate wird in Abhängigkeit von der Temperatur und des Sauerstoffgehalts des Gases in einem Versuchsreaktor mit reduzierter geometrischer Komplexität in isothermen Abbrandversuchen gemessen. Die isotherme Prozessführung erlaubt die Untersuchung der Änderung der Abbrandrate während des Reaktionsfortschritts. Diese nimmt zu Beginn des Abbrands zu, erreicht bei etwa 75% verbleibender Rußmasse ein Maximum um dann näherungsweise proportional zur Rußmasse abzuklingen. Anhand der Ergebnisse werden ein Kinetikmodell entwickelt und die Modellparameter bestimmt.
Aus der Kombination der Strömungssimulationssoftware, mit der die Komponenten-Erhaltungsgleichung für Sauerstoff gelöst wird, mit dem entwickelten Kinetikmodell ergibt sich ein Modell, welches die Simulation des Rußabbrands unter realen Bedingungen ermöglicht. Dieses berücksichtigt auch die Hemmung der Reaktion durch die lokale Abnahme der Sauerstoffkonzentration bei hohen Reaktionsraten. Durch eine theoretische Untersuchung wird zuvor gezeigt, dass der Einfluss von Gradienten der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Rußschicht auf die Reaktionsrate vernachlässigt werden kann.
Das Abbrandmodell wird zur Validierung zunächst in einem Strömungsmodell des Versuchsreaktors bei solchen Randbedingungen angewandt, bei denen bei hoher Temperatur und langer Verweilzeit des Gases der Einfluss der Stofftransporthemmung messbar ist. Zur korrekten Wiedergabe der gemessenen Werte für die Abbrandrate und die Temperaturen im Versuchsreaktor ist die Berücksichtigung des Strahlungsaustausches zwischen der Filterprobe und der Reaktorwand notwendig.
Durch Vernachlässigung des Strahlungsaustausches in diesem Modell werden danach Bedingungen simuliert, bei denen die Reaktionsenthalpie weniger gut an die Umgebung abgeführt kann, was eher den Bedingungen im realen Filter entspricht. Übersteigt die Abbrandrate nun eine kritische Schwelle, so nimmt die Energiefreisetzungsrate der Reaktion stärker zu als der konvektiv, durch Leitung und durch Wärmestrahlung abtransportierte Wärmestrom. Die Berechnung zeigt, dass die Reaktion durchgeht und die Temperatur in Bruchteilen einer Sekunde um mehrere hundert Kelvin zunimmt. Die Reaktion geht in einen neuen Gleichgewichtszustand über, in dem die Reaktionsrate durch die zugeführte Sauerstoffmenge limitiert wird. Zuvor zeigt sich jedoch ein Überschwingen in der Reaktionsrate und in der Temperatur, welches auf die Sauerstoffmenge zurückzuführen ist, welche sich zum Zeitpunkt des Durchgehens der Reaktion im Reaktorgehäuse befindet und die diffusiv zur Rußschicht transportiert wird.
An diesem Beispiel wird ein Abbrandmodell mit vereinfachter Berücksichtigung des Sauerstofftransports überprüft. Die Vernachlässigung der Sauerstoffdiffusion führt zu Abweichungen der Ergebnisse dieses Modells von jenen des höherwertigen Modells mit Lösung der Komponenten-Erhaltungsgleichung. Diesen Abweichungen stehen deutliche Einsparungen in der Rechenzeit gegenüber, da wegen der numerisch robusteren Formulierung der Quellterme des Modells keine Reduktion der Zeitschrittweite während des Durchgehens der Reaktion notwendig ist.
Das Rußabbrand-Modell wird schließlich auf das Strömungsmodell des Diesel- Partikelfilters zur Simulation der Regeneration übertragen. Es zeigt sich, dass der numerische Aufwand für den technischen Einsatz - etwa zur Bewertung von Konstruktionsalternativen - zu hoch ist. Darüber hinaus ist die Übereinstimmung von berechneten und während eines Motorprüfstandsversuchs gemessenen Temperaturen noch nicht zufriedenstellend. Als Ursache der Abweichungen wird das unterschiedliche kinetische Verhalten des Laborrußes im Vergleich zum realen Diesel- Ruß vermutet. Eine systematische Anpassung der Kinetikparameter an die Ergebnisse im Versuch ist aufgrund des zu hohen numerischen Aufwands nicht möglich.
Die Ergebnisse der Regenerationssimulation erlauben trotz der ungenauen Wiedergabe der lokalen Temperatur im Filter Aussagen qualitativer Gültigkeit über den Ablauf der Regeneration im Sintermetall-Partikelfilter. Temperaturunterschiede zu Beginn der Regeneration, welche aus der ungleichmäßigen Aufheizung der Filtertasche resultieren, bewirken lokal unterschiedliche Abbrandraten. Die Rußschicht brennt bevorzugt im radial innen gelegenen Bereich des Filters ab, während sie in der Nähe des Filtergehäuses deutlich langsamer abnimmt, so dass unvollständige Regeneration zu erwarten ist.
Abschließend ist fest zu halten, dass die Methode der numerischen Strömungsberechnung für den vorliegenden Taschenfilter mit seiner komplexen Geometrie zur Analyse der Strömung und der Beladung sinnvoll eingesetzt werden kann, dies für die Regeneration jedoch nicht möglich ist. Die entwickelten Modelle zur Beladung und zum Abbrand der Rußschicht lassen sich auch auf andere Filtergeometrien übertragen, wobei überprüft werden muss, ob eine Anpassung der Parameter des Kinetikmodells für realen Diesel-Ruß notwendig ist.

Details
Schlagworte

Titel: Untersuchungen zur Durchströmung, Beladung und Regeneration eines Diesel-Partikelfilters
Autoren/Herausgeber: Tobias Höffken
Aus der Reihe: Berichte aus der Verfahrenstechnik
Ausgabe: 1., Aufl.

ISBN/EAN: 9783832288754

Seitenzahl: 163
Format: 21 x 14,8 cm
Produktform: Buch
Gewicht: 245 g
Sprache: Deutsch

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