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V. Katzlinger:
"Bewertung des Risikos zur Entstehung fester Ablagerungen aus flüssigem AdBlue mittels CFD-Simulation";
Supervisor: T. Lauer, U. Budziankou; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA), 2019; final examination: 2020-01-30.

Due to stricter emission regulations for passenger cars imposed in the last years exhaust gas aftertreatment became a major part in the engine development process. For diesel engines the reduction of nitrogen oxides is, besides the avoidance of particles, the biggest issue in exhaust gas aftertreatment. In the recent past the reduction of nitrogen oxids via selective catalytic reduction became a promising approach for new exhaust gas aftertreatment systems. Selective catalytic reduction is based on the reduction of nitrogen oxides with ammonia producing water vapour as well as nitrogen. The ammonia is stored in the vehicle in form of a 32.5 % urea water
solution which is injected into the hot exhaust gas and forms besides other products ammonia. During the formation of ammonia the urea may also undergo other chemical reactions which may lead to the formation of solid by-products that influence the performance of the exhaust gas aftertreatment system. To impede the formation of these by-products as far as possible it is necessary to provide methods to test systems on their risk of forming such solid products. These tests may be carried out on a test bench as well as on the computer using CFD-Simulation. In the present work an existing empirical routine was implemented on a ne',1/ geometry in the
CFD-Code Star CCM+ and validated with experimental results. The main component of the test bench used was an impingement plate which was flown by hot exhaust gas. Urea-water droplets were injected into the hot exhaust gas and impinged on the plate. The droplet behavior while and after impingement, the cooling effects on the plate as well as the formation of a liquid film and solid products were monitored with video and thermal cameras. Due to the selection of the engine operating point at very high exhaust gas temperatures it took a long time for the solids in the system (e.g. walls and mixing elements) to cool beneath a certain critical temperature under which fluid film is formed which leads to the formation of by-products. As a consequence the CFD-Simulation had to cover time scales up to five minutes. To manage such long time spans it was also necessary to develop methods to massively reduce the numerical effort to carry out the whole simualtion in an acceptable time. Due to the high numerical effort that is needed when droplet movement through a fluid is simulated, it was necessary to look for options to model droplet physics differently. A promising approach to achieve this goal was the calculation of injection sources. A simulation with a single injection event was carried out during which all major physical properties of the droplets where monitored. Based on these data injection sources could be calculated which were able to describe droplet behaviour during impingement in dependency of the wall temperature. After the calculation of these sources the simulation could be carried out without an actual injection of droplets. The droplet impact and its effects on the plate were only simulated through the sources calculated in advance. With that approach a reduction of the simulation time to one thirtieth of the original time could be achieved. In combination with other actions taken the simulation time could be reduced to one onehundretsixteith of the original time. Moreover the accuracy in comparison to the simulation with the CCM+ standard models could be improved. During the validation process the new approach was in accordance with the experimental results to a large extent. The existing routine could be successfully transferred to a new geometry. Due to the alternative modelling of the droplet behaviour during impingement the 5 minutes physical time necessary to reach equilibrium state could be mangaged in an acceptable amount of time. Therefore the result of the present thesis is that a fast and validated routine can be provided to examine an exhaust gas aftertreatment system regarding the risk of the formation of solid by-products.

Aufgrund immer strenger werdender Emissionsgesetzgebungen stellt bei der Auslegung von Verbrennungsmotoren die Abgasnachbehandlung einen immer wichtigeren Aspekt dar. Bei Dieselmotoren
ist die Entstickung des Abgases, neben der Vermeidung von Partikeln, der wichtigste Teil des Abgasnachbehandlungsprozesses. Dabei hat sich die Abgasentstickung mittels selektiver katalytischer Reduktion als vielversprechend erwiesen und sich in neuen Fahrzeugen mittlerweile als Stand der Technik etabliert. Diese basiert auf der Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniak zu Wasser und Stickstoff. Ammoniak wird dabei in Form einer 32,5 prozentigen Harnstoffwasserlösung im Fahrzeug mitgeführt und im Abgasstrang aufbereitet. Im Rahmen dieser Aufbereitung können chemische Reaktion ablaufen, welche zur Bildung von festen Ablagerungen führen und in weiterer Folge das Abgasnachbehandlungssystem schädigen. Daher gilt es, diese Ablagerungen zu kontrollieren und möglichst gering zu halten. Um dies bewerkstelligen zu können, sind Analysemethoden sowohl am Prüfstand als auch am Computer mittels CFD-Simulation notwendig, um in einer Abgasanlage die Bildung von festen Ablagerungen bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses beurteilen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine bestehende Routine zur Bewertung des Ablagerungsrisikos anhand der Eigenschaften des sich ausbildenden Fluidfilms auf eine neue Abgasstranggeometrie übertragen. Die Simulation wurde im CFD-Code Star CCM+ durchgeführt und anhand von Messdaten validiert. Der zur Validierung verwendete Prüfstand bestand aus einer Platte, welche von heißem Abgas umströmt wurde. Auf diese Platte wurde über einen Injektor eine Harnstoffwasserlösung gespritzt und das Verhalten der Tropfen beim Aufprall, die Kühlung der Platte durch das Spray und die Ausbildung eines flüssigen Films und festen Ablagerungen mittels Video- und Thermokamera analysiert. Aus der Wahl des Motorbetriebspunktes bei einer sehr hohen Abgastemperatur resultierte eine relativ lange Zeitspanne von fast einer Minute, bis die Kühlung der Platte stark genug war, um unter eine für die Ablagerungsbildung kritische Temperatur zu fallen. Diese kritische Temperatur korreliert mit dem Beginn der Ausbildung eines flüssigen Films, welcher ein notwendiges Kriterium für die Bildung von festen Ablagerungen darstellt. Daher waren Simulationsdauern von fünf physikalischen Minuten notwendig, um Aussagen über das Ablagerungsrisiko basierend auf den Eigenschaften des Fluidfilms treffen zu können. Daraus resultierte zusätzlich die Notwendigkeit einer Verringerung der für die Simulation erforderlichen Zeit. Aufgrund des hohen numerischen Aufwandes, der für eine exakte simulative Abbildung der eingespritzten Tropfen notwendig ist, wurde nach Möglichkeiten der alternativen Modellierung der Tropfenbewegung und des Aufprallverhaltens auf der Platte gesucht. Durch Aufzeichnung sämtlicher relevanter physikalischer Eigenschaften des Sprays während einer einzelnen Einspritzung konnten Quellterme berechnet werden, welche das Tropfenverhalten beim Aufprall auf die Platte in Abhängigkeit von der Plattentemperatur beschreiben. Nach einmaliger Berechnung dieser Quellterme konnte die Tropfeneinspritzung deaktiviert werden und die Effekte des Tropfenaufpralles wurden durch die errechneten Quellterme simuliert. Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit konnte die Simulationszeit durch diesen neuen Ansatz auf ein Dreißigste! verkürzt werden. In Kombination mit weiteren Maßnahmen war sogar eine Reduktion der Simulationszeit auf den hundertsechzigsten Teil des ursprünglichen Wertes möglich. Zusätzlich wurde die Genauigkeit im Vergleich zur Simulation mit den Star CCM+ Standardmodellen verbessert. Im Rahmen der Validierung zeigt sich außerdem eine weitgehende Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Die bestehende Routine konnte erfolgreich in Star CCM+ implementiert werden. Durch die getroffenen Maßnahmen ist es möglich, die für das Erreichen des Gleichgewichtes notwendigen fünf Minuten physikalische Zeit in einem vertretbaren Zeitrahmen zu simulieren. Daher kann als Ergebnis der vorliegenden Arbeit eine validierte Routine bereitgestellt werden, die eine zuverlässige und schnelle Erstaussage über das Ablagerungsrisiko in einer Abgasanlage liefert.