Analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen zum Impuls- und Wärmetransport an Lambdasonden

In der vorliegenden Arbeit werden die Transportmechanismen für Impuls und Wärme In Abgassensoren am Beispiel von Lambdasonden mit Schutzrohren untersucht. Das betrachtete System besteht aus dem Abgas, dem Abgaskanal und einer in dem Abgaskanal installierten Lambdasonde. Die Lambdasonde besteht aus einem Sensorelement und einem darüber angebrachten Schutzrohr. In die keramische Matrix des Sensorelements werden mittels Folienschichttechnik eine elektrische Heizung, mehrere Elektroden und ein Referenzluftkanal eingebracht. Die Lambdasonde detektiert die Sauerstoffkonzentration im Abgas mittels einer elektrochemischen Reaktion des Sauerstoffs an den Elektroden. Der Sauerstoff wird an der keramischen Oberfläche des Sensors absorbiert und durch Diffusion an die Elektroden transportiert. Sowohl die Stofftransportvorgänge in der Keramik als auch die chemischen Reaktionen sind temperaturlimitiert. Dies bedeutet, dass bei einer zu starken Auskühlung des Sensorelernents die Lambdasonde ihre Funktion einbüßt. Um dies zu verhindern werden Schutzrohre über dem Sensor angebracht. Um die Wärmetransportprozesse abzubilden, wird ein Modell für die elektrische Heizung und ein Strahlungsmodell mit Berücksichtigung von Reflektionseffekten entwickelt und in das Strömungssimulationsprogramm FLUENT implementiert. Das verwendete Strahlungsmodell zeichnet sich dadurch aus, dass keine zusätzliche Berechnungszeit notwendig ist um die Effekte der Wärmestrahlung zu bestimmen. Es werden zwei Doppelschutzrohre der Robert Bosch GmbH untersucht. Diese unterscheiden sich in der Ausfiihrung ihrer Öffuungen. Die Untersuchungen zeigen, dass die verwendete Schutzrohrgeometrie deutlichen Einfluss auf die Strömungsfelder und den Wärmetransport in der Lambdasonde besitzt. Die numerischen Untersuchungen werden mit zwei Experimenten validiert. Das Strömungsfeld wird mit einem Laser-Doppler-Anemometer gemessen. In einem weiteren Versuchsaufbau wird die Temperaturverteilung im Innern eines keramischen Sensorelernents mit einem Thermoelement ermittelt. Der Vergleich der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Daten zeigt in jedem Fall eine gute Übereinstimmung. Mit der Einfiihrung der reduzierten Temperatur lassen sich sämtliche Temperaturprofile aller untersuchten Schutzrohre und Betriebspunkte auf eine Kurve reduzieren. Die Struktur des Heizmäanders stellt daher die dominierende Größe für den axialen Verlauf der Temperatur im Sensor dar, das Niveau der Temperatur wird jedoch durch die Heizleistung und die Anströmung bestimmt. Mit dem vorgestellten Modell lassen sich Einflussgrößen auf das Heizerdesign analysieren und das Design der Sonde anhand von Kundenwünschen optimieren.