Untersuchung der Ablagerungsbildung durch Harnstofffolgeprodukte im Abgasstrang

Gegenstand dieser Arbeit sind die experimentelle Analyse, Beschreibung, Modellierung und Simulation der chemischen und physikalischen Mechanismen, die zur Ablagerungsbildung aufgrund von Harnstofffolgeprodukten im Abgasstrang führen. Solche Ablagerungen können bei der Einspritzung von Harnstoff-Wasserlösung bei SCR-Systemen entstehen, wenn sich bei auftretendem Spray-Wand-Kontakt ein flüssiger Wandfilm ausbildet und der im Film enthaltene Harnstoff zu festen Harnstofffolgeprodukten reagiert. Mittels thermogravimetrischer Analysen wird die thermische Zersetzung von Harnstoff und dessen wichtigsten Folgeprodukten Biuret und Cyanursäure detailliert untersucht. Basierend hierauf kann erstmalig ein Globalreaktionsmechanismus für die thermische Zersetzung von Harnstoff entwickelt werden. Die Integration des Reaktionsmechanismus in ein Strömungssimulationsprogramm ermöglicht die Beschreibung der konkurrierenden Mechanismen der Harnstoffchemie und der Harnstofffilmverdampfung. Da sowohl die chemischen Reaktionen als auch die Filmverdampfung stark temperaturabhängig sind, wird das Abkühlungsverhalten an einer generischen Abgasanlage näher untersucht, um die für die numerische Simulation relevanten physikalischen Effekte zu identifizieren und deren Modellierung zu validieren. Abschließend werden der Einfluss des Motorbetriebspunktes und der Einfluss der Spraycharakteristik auf die Bildung von Harnstofffolgeprodukten an einer generischen Abgasanlage untersucht. Die experimentell bestimmten Einflussgrößen werden den Simulationsergebnissen gegenübergestellt, um die Möglichkeiten und Grenzen der Modellierung aufzuzeigen. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Empfehlungen für mögliche Maßnahmen zur Ablagerungsvermeidung aufgezeigt.