Motorenprüfstand
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die selektive katalytische Reduktion (SCR) hat sich als Technologie zur Stickoxidreduktion im Automobilebereich durchgesetzt. Durch Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung wird durch thermische Zersetzung und Hydrolyse im Abgasstrang Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel für Stickoxide genutzt. Die meist heute eingesetzten Einspritzsysteme und insbesondere die aus Kostengründen bevorzugten gepulsten Druckzerstäubersysteme benötigen ein der Einspritzstelle nachgeschaltetes Mischerelement zur Vergleichmäßigung der Reaktionsmittelkonzentration in der Zuströmung zum SCR-Katalysator. Am Markt befindliche metallische Mischer werden hauptsächlich zur Homogenisierung der Strömung und zur Verdampfung des Einspritzmediums genutzt. In verschiedenen Forschungsvorhaben wurde am Solar-Institut Jülich auf Basis von patentrechtlich geschützten Porenkörpersystemen aus einer strukturierten Keramik ein neuartiges Mischerelement mit integriertem Katalysator für die Abgasnachbehandlung entwickelt. Die Grundidee basiert darauf, den metallischen Mischer durch einen keramischen Mischer aus einer Porenstruktur zu ersetzen. Der keramische Mischer besitzt auf Grund seiner Porenstruktur eine deutlich größere spezifische Oberfläche die für eine Katalysatorbeschichtung genutzt werden kann. Der so geschaffenen Mischer mit Katalysatorwirkung kann als Vorkatalysator für den eigentlichen SCR-Katalysator genutzt werden. Somit kann eine effektivere Abgasnachbehandlung stattfinden. Bei folgenden Fragestellungen wurde das Großgerät eingesetzt: Für die Bewertung des chemischen Umwandlungspotenzials der Katalysatoroberfläche des keramischen Porenkörpers sind mit Hilfe des Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR) verschiedenste chemische Vermessungen des Abgases bei unterschiedlichen Betriebspunkten am Motorenprüfstand durchgeführt worden. Es konnte der generelle Nachweis einer Abgasreinigung durch den Katalysator erbracht werden. So konnte eine um 250 Prozent höhere Umsatzrate an NH3 gegenüber einem marktüblichen Mischer nachgewiesen werden. - Neben der Bewertung der chemischen Eigenschaften des Mischerelementes erfolgten intensive Vermessungen des Gegendruckes in Relation zur Katalysatoroberfläche. Es wurde nachgewiesen, dass durch Einbringen von Kanälen der Gegendruck auf marktübliche Werte abgesenkt werden kann, ohne die katalytische Wirkung maßgeblich zu beeinträchtigen. Die gewonnenen Ergebnisse wurden zum Aufbau eines Simulationsmodells zur Auslegung von Mischerelementen genutzt. - Um eine hohe Reproduzierbarkeit für eine spätere Serienfertigung zu erreichen, wurde das Potenzial der additiven Fertigung des Mischerelementes untersucht. Der Motorenprüfstand wurde für Voruntersuchungen von Bauformen, die sich für eine künftige additive Fertigung eignen, eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Optimisation of a Urea Selective Catalytic Reduction System with a Coated Ceramic Mixing Element”, Journal of Ceramic Science and Technology 2016
Damm M.A., Sauerborn M., Fend T., Herrmann U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4416/JCST2016-00056) - “Simulation Tool for a Predictive Control Strategy for an ORC System Used in Heavy Duty Vehicles”; GT Conference 2017, Frankfurt, 10/2017
Kreyer J., Esch T.
