Modellbasierte Entwicklungsmethodik zur Optimierung der Sprayaufbereitung von SCR Systemen

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2 Modellbasierte Entwicklungsmethodik zur Optimierung der Sprayaufbereitung von SCR Systemen Modell based Development Method for the Optimization of Urea Spray Preparation Dr. M. Frobenius, Dr. C. Schmalhorst AVL Deutschland GmbH A. Ennemoser AVL List GmbH, Graz, Austria Dr. J. Henn, Dr. A. Scheeder Emitec, Gesellschaft für Emissionstechnologie mbh, Lohmar 209

3 Abstract Das Design eines kompakten SCR-Systems stellt die Entwickler vor erhebliche Herausforderungen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der effizienten Aufbereitung des eindosierten Harnstoff-Wasser-Gemisches zu Ammoniak. Die Gleichverteilung des Reduktionsmittels Ammoniak vor dem Katalysator bestimmt den Gesamtwirkungsgrad der Anlage und ist damit entscheidend für die Zielerreichung hinsichtlich Emissionen und Wirtschaftlichkeit bzw. Ausfällen im Feld. Aufgrund der komplexen physikalischen und chemischen Vorgänge bei der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung sind CFD-Simulationen, unterstützt durch Komponentenmessungen und Thermodynamik-Berechnungen sehr hilfreich, um bereits in frühen Entwicklungsphasen das SCR- System optimal auszulegen. Dazu wurden bei AVL detaillierte physikalische und chemische Modelle zur Beschreibung des Harnstoff-Wasser-Gemisches, der Tropfenverdampfung und Thermolyse, der Tropfen-Wandinteraktion sowie der Wandfilmbildung entwickelt und in den CFD-Code AVL FIRE integriert. Diese Modelle wurden anhand von experimentellen Untersuchungen der einzelnen Effekte validiert. Der entstandene CFD-Code wird zur Untersuchung von Fragestellungen wie dem Einfluss von Mischern und Verdampfern oder dem Risiko von Ablagerungen angewandt. Der Beitrag stellt die CFD-gestützte Entwicklung eines kompakten Tier 4 final SCR-Systems einer Off-Road Anwendung dar und beschreibt die eingesetzten Methoden. Dabei wurde ein vorentwickeltes SCR-System untersucht und optimiert. Schwerpunkt der Optimierung waren die Gleichverteilung von Ammoniak vor dem SCR-Katalysator, der Ammoniak- Schlupf sowie der Druckverlust der Anlage. Darüber hinaus wurden die Sprayausbreitung, die Emissionen sowie das Risiko von Ablagerungen genau untersucht und bewertet. Abstract The design of compact SCR systems remains a significant challenge. A main issue is the efficient spray preparation including the injection of AdBlue and the distribution of the generated reducing agent ammonia. The uniformity of the reducing agent ammonia at the catalyst inlet is decisive in order to achieve high levels of NO x reduction and to avoid deposits. Therefore well adapted designs are mandatory to fulfil the system targets concerning emissions, durability and cost effectiveness. Due to the complex physical and chemical phenomena involved in the spray injection, well adapted CFD simulations are performed to provide valuable insight on the system behaviour. This assists the development in early phases of the project and enables an efficient optimization. Development time and costs may therefore be reduced. AVL developed detailed physical and chemical models for the description of all relevant phenomena involved in the spray preparation, including the spray evaporation and thermolysis, the spray wall interaction and the wall film formation. These models were implemented into the CFD code AVL FIRE and validated by experimental investigations of the individual effects. The developed CFD-code is applied for the investigation of the influence of mixers and vaporizers in SCR-systems or to evaluate the risk of crystallisation. The paper shows the CFD-aided development of an ultracompact Tier 4 final system for an off-road application and describes the applied methods. A pre-developed SCRsystem has been investigated and optimized. The emphasis of the investigations was the optimization of the ammonia uniformity at the SCR-catalyst, the ammonia slip as well as the back pressure of the system. Furthermore the spray behaviour, the emissions and the risk of deposit formation have been evaluated. 1. Einleitung Die in den nächsten Jahren wirksam werdende Abgasgesetzgebung verlangt eine signifikante Absenkung der Tailpipe Emissionen zukünftiger Antriebssysteme. Für die Nutzfahrzeugmotoren im Offroad-Bereich wird mit Tier IV je nach Leistungsklasse sowohl für Stickoxide, als auch für Partikel eine Reduktion von bis zu 90% zum heutigen Stand verlangt, siehe Abbildung 1. Der Motorenhersteller muss dies für zahlreiche unterschiedliche Anwendungen der Motoren gewährleisten, dabei werden in manchen Ländern unterschiedliche Fahrzyklen vorgeschrieben. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Lebensdauer der Antriebssysteme und - vor dem Hintergrund der CO 2 -Diskussion die Nachfrage nach noch verbrauchsgünstigeren Systemen. Vor diesem Hintergrund ist eine technische Umsetzung der Tier IV Abgasnorm nur in Kombination von optimierten Motorrohemissionen mit einem hocheffekti- 1. Introduction Abbildung 1: Abgasgesetzgebung Tier III und IV für Off-Highway-Motoren Figure 1: Emission legislation Tier III and IV for off-highway-engines Upcoming emission legislation makes great demands on a significant reduction of tailpipe emissions of future powertrains. For heavy-duty off-road engines the Tier IV emission limit requires an up to 90% reduction of nitrogen oxides as well as for particle matter, depending of the engine power, see figure 1. The engine manufacturer has to ensure that reduction for numerous different applications of the engine, in some areas for different emission cycles. At the same time market demands regarding the durability of the powertrains and more fuel efficiency of the systems are continuously rising. This challenge can only be faced with a combination of optimized engine raw emissions in combination with a highly effective aftertreatment system, in particular for the NO x -reduction. The NO x -conversion in the SCR-catalyst depends in addition to the activity of the 210

4 ven Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere für die NO x -Reduktion denkbar. Der Umsatz der Stickoxide im SCR sowie die Temperatur im Abgassystem wird neben der Aktivität der SCR-Beschichtung auch durch das Layout von DOC und DPF durch die Beeinflussung des NO-NO 2 -Verhältnisses beeinflusst. Für die Erreichung der Reduktionsziele im Fahrzyklus ist eine geeignete Dosierstrategie des Reduktionsmittels von großer Bedeutung. Das Design der gesamten Abgasanlage muss natürlich gut mit den jeweiligen Motorrohemissionen abgestimmt sein. Für die NO x -Reduktion entscheidend ist allerdings die Vermischung des Reduktionsmittels AdBlue mit dem heißen Abgas vor dem SCR Katalysator. Die Güte der Reduktionsmittelaufbereitung beeinflusst direkt den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Dabei ergeben sich für den Entwicklungsingenieur einige Herausforderungen. Hauptproblem ist, dass die ins Abgassystem eingebrachten AdBlue -Tropfen eine relativ große Distanz von bis zu mehreren Metern zurücklegen müssten, bis sie im heißen Abgas verdampft sind. Diese Tatsache kollidiert mit den immer stärker werdenden Bauraumbeschränkungen, welche immer kleinere Abgassysteme fordern. Daher wird der Einsatz von Mischern und Verdampfern untersucht, um die Verdam-pfung und die Gleichverteilung des Reduktionsmittels zu verbessern. Dabei muss darauf geachtet werden, dass bei Auftrag des Reduktionsmittels auf die Wände oder den Mischer Ablagerungen entstehen können. Außerdem muss eine Überhitzung des AdBlue -Injektors vermieden werden. SCR coating on the layout of the DOC and the DPF due to their effect on the NO-NO 2 -ratio as well as on the temperature in the exhaust system. A suitable dosing strategy of the reducing agent is important to attain the emission targets for a given driving cycle. Of course, the design of the whole aftertreatment system must be adjusted to the particular engine out emissions. The crucial point for the NO X -reduction however is the mixture of the reducing agent AdBlue with the hot exhaust gas in front of the SCR catalyst. The quality of the preparation of the reducing agent directly affects the efficiency of the SCR system. For the development engineer several challenges arise. The main issue is, that the injected AdBlue - droplets would have to cover a distance of several meters until they are completely evaporated. This fact collides with the continuously decreasing installation space for the aftertreatment system. For that reason, the implementation of mixer devices and vaporizers for AdBlue is investigated to improve the evaporation and the uniformity of the reducing agent. At the same time attention must be paid, that the contact of the AdBlue with the piping walls or the mixer device could lead to deposit formation. Besides, an overheating of the AdBlue -Injector has to be avoided. 2. Simulation im Entwicklungsprozess Um ein hocheffizientes SCR- System zu entwickeln, werden moderne Simulationsverfahren in verschiedenen Phasen des Entwicklungsprozesses eingesetzt, von der Konzeptüber die Layout Phase bis hin zu Designoptimierungen. Der massive Einsatz von Simulation in den frühen Entwicklungsphasen hat das Ziel, die gesamten Entwicklungsaufwände und die Entwicklungszeiten zu reduzieren Simulation in der Konzept- und Auslegungsphase In den frühen Phasen der Systementwicklung werden Abgaszyklen und Lastzyklen berechnet, um die benötigten Katalysator- und Filterarten und -größen zu bestimmen, aber auch um erste Aussagen zur Beschichtung oder beim Partikelfilter - zur Regenerationsstrategie machen zu können. Neben dem thermischen Management der Abgasanlage werden auch die NO x -Emissionen im Fahrzyklus vorausberechnet. Aussagen über die notwendigen bzw. zulässigen Rohemissionen für verschiedene Lastpunkte werden getroffen, um die Kosten sowohl der Abgasanlage (Hardware, Bauraum) bzw. des Betriebs der Anlage (Verbrauch an Kraftstoff und Reduktionsmittel) niedrig zu halten. Abbildung 2: Simulationsunterstützter Entwicklungsprozess Figure 2: Simulation aided development process 2. Simulation during the development process For the development of a highly efficient SCR-system, modern simulation methods are applied during different phases of the development process, from the concept and layout phase up to the 3D detail optimization in the design phase. The aim of the massive usage of simulation during the early stages of the development is to significantly reduce development efforts and times Simulation during the concept and layout phase During the early phases of the system development emission cycles and load cycles are calculated to estimate the required type of the catalysts and filter as well as their size. Furthermore first statements regarding the coating or the regeneration strategy of the particle filter can be made during that stage. Besides the thermal management of the aftertreatment system, the NO x -Emissions during the driving cycle are precalculated. Necessary or maximum tolerated engine raw emissions for different load points are estimated to minimize the costs of the aftertreatment system (hardware, installation space) as well as the operating costs (fuel and AdBlue consumption). 211

5 Auf Grund der sehr kurzen Modellierungs- und Rechenzeiten werden solche Untersuchungen mittels 1D Simulationen durchgeführt. AVL hat daher in den vergangenen Jahren alle relevanten chemischen Reaktionen zur Beschreibung der Umsetzung in den typischen Komponenten einer Abgasanlage in das Programm AVL BOOST implementiert und die Software anhand experimenteller Daten realer Abgasanlagen validiert [7], [8]. Die Ergebnisse der 1D Simulation stellen darüber hinaus auch die Ausgangssituation für die 3D Detailuntersuchung dar. Durch die Untersuchung zahlreicher Lastpunkte im gesamten Betriebsbereich des Motors ist es möglich, die für die weitere Entwicklung relevanten und kritischen Betriebspunkte (bzgl. zu niedrige Abgastemperatur, Gefahr der Ablagerungsbildung) zu detektieren. Diese Randbedingungen an diesen Betriebspunkten werden im weiteren Verlauf der Entwicklung der 3D CFD Simulation zur Verfügung gestellt. Die Parameter zur Charakterisierung der Katalysator-Kinetik können direkt aus dem 1D Modell in 3D übernommen werden Simulation in der Konstruktionsphase Auf Grund der extrem hohen Anforderungen an das SCR- System (sehr hoher NO x -Reduktionswirkungsgrad, reduzierter Bauraum, niedriger Gegendruck, Vermeidung von Ablagerungen, usw. - siehe Kap. 1), wird die Konstruktion durch parallel durchgeführte 3D CFD-Simulationen unterstützt, welche Aussagen zu den Strömungsbedingungen in der Abgasanlage, zur Sprayaufbereitung, dem NO x -Umsatz, der Strömungsgleichverteilung im Substrat sowie zu geeigneten Positionen für Sensoren liefern. Voraussetzung zur genauen Beschreibung der relevanten Vorgänge im SCR-System mittels CFD war die Implementierung geeigneter physikalischer und chemischer Modelle in den CFD Code AVL FIRE : Die Stoffeigenschaften von AdBlue sind als Funktion von Temperatur und Konzentration hinterlegt [2]. Das AdBlue -Spray wird mit einem diskreten Tropfenmodell [9] unter Berücksichtigung des Massen-, Impulsund Energieaustausches mit dem heißen Abgas modelliert. Dabei werden Gas- und Tropfenphase gekoppelt berechnet, um die gegenseitige Beeinflussung von Geschwindigkeit, Druck, Dichte, Temperatur und Konzentration sowie der Turbulenz zu berücksichtigen. Eine initiale Tropfengrößenverteilung sowie ein Strahlbild werden anhand gemessener Werte vorgegeben. Ein Mehrkomponentenverdampfungsmodell beschreibt die Verdampfung und Thermolyse von Harnstoff [2]. Die darauffolgende Reaktion von Isocyansäure und Wasser zu Ammoniak ( Hydrolyse ) wird ebenso berücksichtigt. Die Interaktion der AdBlue -Tropfen mit der Wand wird mittels eines Wand-Interaktionsmodells nach Kuhnke [4] und einer Erweiterung für AdBlue nach Birkhold [3] beschrieben. Zur Bestimmung des Wärmeübergangs zwischen Tropfen und Wand wird das Modell von Meingast [5] eingesetzt. Der auftretende Wandfilm wird separat zur Gasphase mit einem quasi-2d-ansatz unter Berücksichtigung der Schwerkraft als Mehrkomponentengemisch berechnet. In Due to their very short modelling and simulation times, the described investigations are usually performed with 1D simulation. AVL implemented all relevant chemical reactions for the characterisation of the conversion in typical components of an aftertreatment system in the commercial 1D code AVL BOOST. The code has been validated against experimental date of real life aftertreatment systems [7], [8]. In addition, the results of the 1D Simulation can be used as a starting point for the 3D detailed investigations. The investigation of several operating points over the entire engine map allows the detection of relevant and critical operating conditions for the further development, for example low exhaust gas temperatures or the danger of deposit formation. The boundary conditions during those operating points are provided for the 3D CFD simulation during the further development. The parameters characterizing the catalyst kinetics are directly imported from the 1D model into the 3D code Simulation during the design phase To ensure a good trade-off between the requirements on the SCR-system like high DeNOx-efficiency, installation space, low back pressure and avoidance of deposits (see chap. 1), the design phase is assisted by parallel 3D CFD-simulations. Here, predictions regarding the flow conditions in the aftertreatment system, the spray formation, the NOxconversion and the flow within the catalysts as well as about suitable sensor positions can be made. Precondition for the accurate description of the relevant phenomena in the SCR-system by CFD was the implementation of well suited physical and chemical models into the CFD-Code AVL FIRE : The properties of AdBlue have been integrated over the temperature and concentration range typical for aftertreatment systems [2]. The AdBlue -Spray is modelled with a discrete droplet model [9] considering mass-, momentum- and energy exchange of the droplets with the hot exhaust gas. The gas- and spray phase are coupled so that the mutual influence concerning gas velocity, pressure, density, temperature and concentration are accounted for. The influence of the flow turbulence on the droplet motion is also considered The spray is initialized by specifying the initial droplet size distribution, the droplet initial velocity as well as the spatial propagation obtained from measurements. A multi-component evaporation model is implemented for SCR simulations which accounts for the thermolysis of urea [2]. The subsequent reaction of isocyanic acid and water into ammonia and carbon dioxide ( hydrolysis ) is also considered. The interaction of the droplets colliding with solids is described by the wall interaction model developed by Kuhnke [4], which was adopted for AdBlue spray by Birkhold [3]. The heat transfer between droplet and wall is calculated by a model of Meingast [5]. 212

6 Abbildung 3 sind das AdBlue -Spray sowie die berechnete und gemessene Wandtemperatur für verschiedene Betriebspunkte in einer Validierungsstudie dargestellt. Für die Umsatzreaktionen im SCR-Katalysator wird ein etablierter Reaktionsansatz, welcher von Wurzenberger et al. [7] anhand experimenteller Daten validiert wurde, eingesetzt. Abbildung 3: Simulation der Tropfenwandinteraktion sowie der Wandtemperaturen Figure 3: Simulation of the droplet-wall interaction and the wall temperatures The wall film behaviour is treated separately from the gas phase and is simulated by a quasi 2D method. The multi-component film is transported by shear stresses, gravitational forces and pressure. A picture of a validation study for wall cooling due to wallfilm is shown in Figure 3. For the conversion reactions taking place in SCR catalysts AVL FIRE applies a reaction scheme, which has been validated against experimental data by Wurzenberger et al. [7] Messung von Modellparametern Obwohl die experimentellen Untersuchungen der Reduktionsmittelaufbereitung am Prüfstand in frühen Projektphasen zunehmend durch Simulationen ersetzt werden, behalten sie dennoch einen hohen Stellenwert während der Entwicklung. Um ein hohes Maß an Genauigkeit in der Simulation zu gewährleisten, ist es notwendig, einige charakteristische Komponenten-Eigenschaften durch Messungen zu bestimmen. Die Umsatzraten, die Druckverlustcharakteristik und das thermische Verhalten des Katalysators werden experimentell ermittelt die Simulationsmodelle werden dann anhand der gefundenen Zusammenhänge kalibriert, um die Realität möglichst exakt abbilden zu können. Darüber hinaus dienen Messungen (z.b. der Ammoniakverteilung am SCR-Eintritt) in späteren Phasen der Entwicklung zur Validierung der Simulationsmodelle. Um die Eigenschaften des AdBlue -Sprays zu beschreiben, werden mittels optischen Methoden die Tropfengrößenverteilung, das Tropfengeschwindigkeitsprofil sowie die räumliche Verteilung der Tropfen bestimmt, siehe Abbildung 4. Zusammen mit den Randbedingungen des Einspritzsystems (Einspritzdruck, Massenstrom und Einspritzrate, Dosierfrequenz) dienen diese Werte als Randund Initialbedingung für die CFD-Simulation Measurement of model parameters Abbildung 4: Charakterisierung von AdBlue AdBlue Sprays mittels Paternator (links) und PDA-Messung (rechts). Figure 4: Characterisation of AdBlue -sprays by a paternator (left) and PDA-measurements (right). Although experimental investigations of the spray preparation at the test bed in an early development phase are gradually replaced by simulations, they are still of high importance during the development. To assure highly accurate simulation results, it is inevitable to define some component characteristics by measurements. For example, conversion rates, the pressure loss characteristic or the thermal behaviour of the catalysts are measured experimentally. The simulation models are then calibrated according to the detected characteristics to capture the real life behaviour as good as possible. Measurements of the ammonia distribution at the SCR are also used in later development stages for the validation of the simulation models. To describe the behaviour of the AdBlue spray, the droplet size distribution, the droplet velocity profile as well as the spatial droplet distribution are determined by optical measurement methods, see figure 4. Together with the boundary conditions for the injection system (injection pressure, mass flow and mass flow rate, dosing frequency) these values are used as boundary- and initial conditions for the CFD simulations. 3. Anwendungsbeispiele Im Folgenden sollen Beispiele zum Einsatz von 3D CFD Simulation bei der Vorauslegung der AdBlue -Dosierung dargestellt werden. Die Simulation soll in den frühen Entwicklungsphasen Designentscheidungen ermöglichen und dabei helfen, Fragen zu beantworten wie Welcher Injektor ist am besten für die Abgasanlage geeignet? Welches ist die bestmögliche Injektorposition und Ausrichtung? 3. Application examples The application of the presented 3D CFD Simulation approach for the layout of the AdBlue -dosing is presented in this section. The aim of the simulation is to help the developers to answer the following questions in the early development phases to enable design decisions: Which injector is best suited for the aftertreatment system? Which injector position and spray direction delivers the best results? 213

7 Welche Mischerart ermöglicht die bestmögliche Aufbereitung des Reduktionsmittels? Besteht die Gefahr eines lokalen Ammoniakdurchbruchs? Bei welcher Geometrie ist das Risiko von Ablagerungen minimal? Welche Geometrie ermöglicht die notwendige Gleichverteilung des Reduktionsmittels am SCR-Katalysator? 3.1. Position des Injektors Ein SCR-System für eine Nutzfahrzeug-Abgasanlage (10 l Motor, 6 Zylinder, Euro 6) wurde mittels 3D CFD Simulation untersucht und optimiert. Die Anlage setzt sich aus einem DOC, einem DPF und dem SCR-System bestehend aus Hydrolyse- und SCR-Katalysator zusammen, siehe Abbildung 5. Die Simulationen wurden durchgeführt, um die Sprayverteilung vor dem Hydrolyse Katalysator zu verbessern sowie das Risiko der Bildung von Ablagerungen zu minimieren. In einem ersten Schritt wurden für drei mögliche Injektor-Positionen verschiedene Strahlwinkel untersucht, um zu beurteilen, welcher Anteil der Eintrittsfläche des Hydrolysekatalysators mit 80% der Spraymasse beaufschlagt wird. Um das Risiko der Ablagerungsbildung klein zu halten, wurden nur geringe Mengen von AdBlue -Spray mit Wandkontakt akzeptiert. Die Auswertung in Abbildung 6 zeigt die Injektorpositions/- Winkel-Kombinationen, welche zu 1%, 3% und 5% Spraymasse mit Wandkontakt führen. Nachdem die beste Injektorposition- und -ausrichtung festgelegt war, wurde in einem weiteren Schritt die Geometrie des Injektorsitzes optimiert, um in diesem Bereich zu starken Wandauftrag und damit die Gefahr von Ablagerungen bei hohen Abgasmassenströmen zu verhindern. Abbildung 7 vergleicht die berechneten Wandtemperaturen für zwei verschiedene Injektorsitzgeometrien. Abbildung 5: Untersuchte Abgasanlage Figure 5: Investigated Aftertreatment sytem Abbildung 6: Simuliertes AdBlue -Spray, Benetzte Fläche auf dem Katalysator und Analyse der beaufschlagten Katalysatorfläche Figure 6: Simulated AdBlue -Spray, wetted area at the catalyst inlet and analysis of the impinged catalyst surface for different injector positions Abbildung 7: Vergleich der berechneten Wandtemperaturen bei Wandauftrag des Reduktionsmittels für zwei verschiedene Injektorsitz-Geometrien Figure 7: Comparison of calculated wall temperatures for two different injector cones due to the wall impingement of the AdBlue -droplets What type of mixer generates the best ammonia uniformity? Is there a risk of a local ammonia break-through? Which pipe geometry offers minimum risk of deposit formation? Which geometry allows achieving the target ammonia uniformity at the SCR catalyst? 3.1. Injector positioning A heavy duty aftertreatment system (10 l engine, 6 cylinder, Euro 6) has been optimized using 3D CFD. The aftertreatment system includes a DOC, a DPF, and a SCR system (Hydrolysis- and SCR-catalyst), see figure 5. Simulations were performed with the aim to maximize the spray distribution on the hydrolysis catalyst and to minimize the risk of deposit formation. In a first step the optimal injector position and angle were determined by assessing the fraction of the hydrolysiscatalyst frontal area impinged by 80% of the spray mass. In order to reduce the risk of deposits only small amounts of spray mass hitting the wall was accepted. The parameter combinations leading to 1%, 3% and 5% of mass with wall contact are highlighted in figure 6 in order to support the decision on the best configuration. After having determined the best injector position and inclination the injector cone needed to be optimized in order to avoid an excessive impingement of the cone by spray droplets at higher gas flow rates. Figure 7 compares the calculated wall temperatures for two different cone shapes 214

8 Die starke lokale Abkühlung bei Geometrie A resultiert aus der Bildung von Wandfilm während der Eindüsung. Durch die Verdampfung des Wandfilms kühlt in diesem Bereich die Wand ab, siehe auch Abbildung 3. In die Bewertung, ob der berechnete Wandauftrag von Reduktionsmittel hinsichtlich Ablagerungsbildung kritisch ist, gehen neben der Wandfilmmasse und -dicke auch die Zusammensetzung des Wandfilms (H 2 O, NH 3, HNCO) sowie die lokale Abkühlung der Wand ein. A strong wall cooling of geometry A is predicted, compare also figure 3. The wall is cooled due to the evaporation of the wallfilm which occurs during the injection. To assess whether the wallfilm is critical concerning deposit formation the composition of the wall film (H 2 O, NH 3, HNCO) and the local cooling of the wall are considered besides the wallfilm mass Ammoniakgleichverteilung am SCR-Katalysator Als zweites Anwendungsbeispiel wird die Simulationsunterstützte Entwicklung eines Off-road-SCR-System vorgestellt. Im ersten Schritt soll das System die NO x -Grenzwerte von Tier 4 interim erreichen, letztlich wird Tier 4 final angestrebt. Auf Grund der sehr hohen Anforderungen bzgl. NO x -Konvertierung wird die SCR-Technologie in Form eines hochaktiven SCR- Katalysators in Kombination mit einer präzisen AdBlue - Dosierung eingesetzt. Die notwendige Partikelreduktion soll mit Hilfe eines PM-Metaliten mit passiver Rußoxidation gewährleistet werden. Herkömmliche Systeme, bei denen der DOC, der DPF bzw. PM-Metalit und der SCR- Katalysator in Reihe geschaltet arbeiten, sind auf Grund des hohen Platzbedarfs und der vergleichsweise hohen Wärmeverluste nur unzureichend geeignet, um beispielsweise im begrenzten Bauraum eines Traktors eingesetzt werden zu können. Daher wurde bei EMITEC ein System entwickelt, bei dem die Funktionalität von DOC und PM-Metalit räumlich vom SCR-Katalysator entkoppelt sind, siehe Abbildung 9. Durch die Nutzung eines ringförmigen Oxidationskatalysators wurde ein sehr kompaktes System entwikkelt, bei dem gleichzeitig der Wandauftrag von Reduktionsmittel auf der heißen inneren Oberfläche des DOC reduziert werden kann. Die verbesserte Verdampfung des Reduktionsmittels innerhalb des Ring-DOC reduziert die Tropfengrößen und damit auch den Auftrag von flüssigem AdBlue auf den PM-Metalit. Dieser dient wiederum neben der Partikelreduktion auf Grund seiner Hydrolyse- Beschichtung auch der verbesserten Aufbereitung des Reduktionsmittels. Das System verspricht auch ein schnelleres Aufheizen, um bei einem Kaltstart früher AdBlue dosieren zu können. Die Herausforderung bei der Entwicklung dieses Systems ist es, eine extrem hohe Gleichverteilung des Reduktionsmittels zur maximalen NO x -Reduktion im SCR-Katalysator zu erzielen, ohne den Gegendruck des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Systemen zu erhöhen. Abbildung 8: Herkömmliche Anordnung der Systemkomponenten Figure 8: Standard arrangement of system components Abbildung 9: EMITEC SCRiTM-System Figure 9: EMITEC SCRiTM-System 3.2. Ammonia uniformity at the SCR-catalyst The simulation aided development of an off-road SCRsystem is shown as a second example. In a first step the exhaust system aims to fulfil Tier 4 interim, finally Tier 4 final is targeted. SCR-Technology is used to address the extremely challenging NO x emission standards: high performance SCR catalyst technology and precise AdBlue dosing is essential to reach the goal. Necessary soot reduction can be achieved by the use of a PM-Metalit with passive soot oxidation. For such an application a traditional approach with placing all components in a linear sequence is not suitable due to space restrictions of targeted vehicles like tractors. Therefore in former approaches a separation of the DOC and the hydrolysis functionality from the SCR functionality was used (shown in figure 8), resulting in high thermal losses. For that reason EMITEC developed a system which decoupled the functionality of DOC and PM- Metalit from the SCR, see figure 9. The use of a ring-shaped oxidation catalyst gives an opportunity for a very compact system which at the same time reduces heat-losses into the ambient. Fast catalyst and system heatup to accelerate AdBlue -dosing during cold start is easy to achieve with this setup and evaporation inside the inner tube of the DOC reduces droplet diameter and therefore momentum and impact on the coating of the hydrolysis catalyst. Whereas wallfilm formation and by-product formation is not an experimental issue at the moment, the challenge for such a high-performance aftertreatment system is the existence of an excellent NH 3 - and NO x uniformity for maximum NO x -reduction performance in the SCR catalyst, esp. as the boundary condition is a very low exhaust system back pressure. In a first step back-pressure of the system was optimized and resulted in the following configuration. Critical backpressure driver is the PM-Metalit with the steep entrance cone and a very sharp spot-like entrance area for the gas, whereas the flow uniformity in front of the oval-shaped SCR 215

9 Im ersten Schritt wurde mittels einfacher Strömungssimulationen die Geometrie der Anlage hinsichtlich minimalen Gegendrucks ausgelegt. Kritisch für den Gegendruck der Anlage ist der PM-Metalit mit seinem steilen Einlasskonus und der zentrisch fokussierten Anströmung. Dagegen ergibt sich auf Grund der Mischung des heißen Abgases im PM-Metalit und der strömungstechnisch optimierten Verbindung zwischen PM-Metalit und SCR einer sehr gute Strömungsgleichverteilung vor dem ovalen SCR-Katalysator, siehe Abbildung 10. In einer ersten Variante war eine konische Prallplatte mit mehreren Löchern vorgesehen, um die Anströmung des PM- Metalit sowie die Aufbereitung des Reduktionsmittels vor dem PM-Metalit zu verbessern. Die Löcher in der Prallplatte verhindern ein Totwassergebiet nach der Prallplatte. Die Strömungsverteilung in einem Schnitt durch DOC und PM-Metalit ist in Abbildung 11 dargestellt. Deut-lich erkennbar ist die etwas höhere Strömungsgeschwindigkeit im oberen Bereich des DOC. Nach der Umlenkung der Strömung wird die untere Seite der Prallplatte etwas stärker angeströmt. In einem zweiten Simulationsschritt wurde die Dosierung von AdBlue numerisch untersucht. In Abbildung 12 ist die Verteilung der Tropfenpakete des Reduktionsmittels zu einem Zeitpunkt während der Eindüsung dargestellt. Das Bild zeigt, dass das AdBlue -Spray direkt auf die Prallplatte trifft, ohne in Kontakt mit der Innenwand des DOC zu treten. Da die Prallplatte von heißem Abgas umströmt ist, bildet sich kein Wandfilm. Ein Teil des flüssigen Reduktionsmittels ge-langt durch die Löcher der Prallplatte bzw. an der Prallplatte vorbei auf den PM- Metalit, wo es zur Verdampfung und Thermolyse kommt. Die leicht ungleichförmige Anströmung des PM-Metalit transportiert auch das AdBlue -Spray verstärkt auf die untere Seite des PM-Metalit, was dort zu einem erhöhten NH 3 -Anteil führt. Diese Spitze wird bis zum SCR-Katalysator transportiert. Im SCR wurde eine vollständige Umsetzung von NO x (700ppm) angenommen, was in diesem Fall zu einem lokalen NH 3 -Durchbruch führt. Die 3D-Simulation ermöglicht es nun, das Sprayverhalten im Detail zu analysieren und Fragestellungen hinsichtlich Strömungsführung und möglichen Ablagerungsproblemen Abbildung 10: Berechnete Strömungsgleichverteilung vor DOC, PM und SCR Figure 10: Calculated flow distribution at DOC, PM and SCR Abbildung 11: Strömungsverteilung durch DOC und PM-Metalit Figure 11: Flow distribution through DOC and PM-Metalit catalyst is very good due to the PM-Metalits internal distribution capability and the flow-optimized connector between PM-Metalit and SCR catalyst, see figure 10. As a standard, a conical shaped coated metal cap with several holes was used as a flow modifier. Gas is forced to a higher degree to the outer area of the PM Metalit and improves backpressure and conversion behaviour. The holes serve as a means for direct gas passage and avoid dead-water areas and turbulence behind the cap. The resulting flow-uniformity is shown in figure 10. The flow distribution in a cut through the DOC and the PM-Metalit is shown in figure 11. The slightly higher flow velocities in the upper part of the ring-doc are clearly visible. After the redirection of the metal cap higher flow velocities occur at the bottom side of the cap. In a second simulation step the AdBlue dosing has been investigated numerically. The droplet distribution at one time step during the injection is shown in figure 12. The picture shows that the AdBlue -Spray is mainly hitting the deflector plate without contact of the inner side of the ring-shaped DOC. As the deflector plate is surrounded by hot gas, no wallfilm is occurring. A fraction of the liquid reducing agent droplets flows through the holes of the deflection plate or around the deflection plate and hits the PM-Metalit, where the droplets evaporate and the thermolysisreaction takes place. The slightly non-uniform flow around the deflector plate carries also the AdBlue -Spray to the bottom side of the PM-Metalit, which generates an ammonia-peak there. This peak is transported to the SCR catalyst. Within the SCR, a complete conversion of NO x (700ppm) was modelled, which in this case leads to an ammonia break through the SCR. With the 3D CFD simulation it is now possible to have a closer look at the spray behaviour to investigate the flow field and improve the understanding of possible deposit problems. Figure 13 shows a detailed picture of the upper part of the inlet cone of the PM-Metalit. The spray impingement on the deflection plate can be seen. The droplets of the spray which do not hit the deflection plate fly nearly undisturbed in the main flow direction until they hit the PM- Metalit (A). The droplets hitting the deflection plate break up into smaller droplets and are transported tangential to 216

10 zu beantworten. In Abbildung 13 ist eine Detaildarstellung des oberen Konus des Einlasstrichters des PM-Metalit dargestellt. Die Wirkung der Prallplatte ist gut zu erkennen: Die Tropfen des Hauptsprays, die nicht auf die Prallplatte treffen, fliegen mit unverminderter Größe in Richtung des Metaliten (A). Die auf die Prallplatte auftreffenden großen Tröpfchen platzen auf und werden tangential zum Innenkonus abgeleitet (B). Daraus ergibt sich ein Sekundärstrahl, der auf den Aussenkonus auftrifft und dort die Wandtemperatur herabsetzt. Das Abkühlen der Wand durch den Kontakt mit kleinen Tropfen ist gering, so dass zu keiner Zeit des betrachteten Betriebspunktes Wandtemperaturen erreicht werden, bei denen AdBlue -Ablagerungen zu erwarten sind. Im weiteren Entwicklungsprozess wurde versucht, die Aufbereitung des Reduktionsmittels vor dem PMMetalit zu verbessern und eine möglichst hohe Gleichverteilung des Reduktionsmittels in der PM-Eintrittsfläche zur erzielen. Dazu wurden verschiedene Geometrien von Prallplatte und Verdampfer, eine Variation des Abstandes von Eindüsung und Prallplatte sowie eine Variation der Position des PMMetalit mittels 3D CFD-Simulation untersucht, siehe Abbildung 14. the deflection plate (B). They generate a secondary spray which partly hits the cone and reduces the wall temperatures there. The temperature reduction of the cone wall through the contact of the smaller droplets is so low that no deposits are expected. Abbildung 12: Sprayverteilung durch DOC und PM-Metalit Figure 12: Spray distribution through DOC and PM-Metalit Abbildung 13: Lokale Sprayverteilung und Wandtemperaturen Figure 13: Local spray distribution and wall temperatures Einzelne der untersuchten Varianten ermöglichen eine Verbesserung der Reduktionsmittelaufbereitung, allerdings bei gleichzeitiger Erhöhung des Gegendrucks. Diese Varianten werden daher nicht weiter verfolgt. Eine der untersuchten Varianten, bei der die Position des PMMetalit variiert wurde, ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Ammoniak-Gleichverteilung bei gleichzeitiger Reduktion des Gegendrucks, siehe Abbildung 15. Erste Experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass das entwickelte System für Tier 4 interim geeignet ist. Für Abbildung 14: Untersuchte Varianten Figure 14: Investigated geometry variants 217 The next step of the development focussed on an improvement of the spray preparation between injector and PM-Metalit to achieve the greatest possible reducing agent uniformity at the PM-Metalit. For this, several different geometries of deflection plates and vaporizers, a variation of the distance between injection position and deflection plate as well as a variation of the position of the PM-Metalit have been investigated using 3D CFD simulations, see figure 14. Some of the variants investigated show an improvement of the spray preparation but with increase of back pressure. These variants have therefore not been considered for further investigations. One of the variants, where the position of the PM-Metalit has been changed, allows a significant increase of the ammonia uniformity together with a slight reduction of the system pressure losses, see figure 15. First experimental investigations confirm that the developed system is suitable for Tier 4 interim. For the next development steps towards Tier 4 final further detailed numerical investigations are planned, mainly focussing on the mixture formation within the PM-Metalit structure and between PM-Metalit and SCR catalyst.

11 eine Weiterentwicklung hinsichtlich Tier 4 final sind weitere Detailuntersuchungen, vor allem fokussiert auf die Gemischbildung im PM-Metalit und zwischen PM-Metalit und SCR-Katalysator, geplant. 5. Zusammenfassung und Ausblick Auf Grund der in den nächsten Jahren wirksam werdenden Abgasgesetzgebung werden verstärkt Abgasanlagen mit hocheffektiven SCR-Systemen entwickelt. Das Hauptaugenmerk der Entwicklung liegt in einer optimalen Aufbereitung und Gleichverteilung des Reduktionsmittels vor dem eigentlichen SCR-Katalysator, da die Gleichverteilung maßgeblich für den Wirkungsgrad der Stickoxidreduktion des Systems bestimmt. Um schon in frühen Entwicklungsphasen kostengünstig eine hohe Anzahl möglicher Designvarianten untersuchen zu können, wurde eine Methode basierend auf 3D CFD Simulation entwickelt. Dazu wurden alle notwendigen physikalischen und chemischen Modelle zur Beschreibung der Dosierung und Aufbereitung des Reduktionsmittels in den kommerziellen CFD-Code AVL FIRE implementiert und anhand experimenteller Daten validiert. Die entwickelte Methode wurde eingesetzt, um durch die Untersuchung verschiedener Injektor-Positionen und -Ausrichtungen eine optimale Einbausituation des Injektors definieren zu können. Darüber hinaus war es möglich, die Gefahr von Ablagerungen im Bereich des Injektor-Sitzes durch eine Geometrievariation zu mindern. Bei der Entwicklung eines Tier 4 SCR-Systems wurden zahlreiche Varianten zur Verbesserung der Reduktionsmittelgleichverteilung vor dem SCR-Katalysator bei gleichbleibendem Gegendruck untersucht. Eine deutlich verbesserte Geometrie konnte so gefunden werden. Der Einsatz der vorgestellten Simulationsmethode im Entwicklungsprozess von Abgasanlagen ermöglicht trotz der immer komplexer werdenden Anlagen deutlich reduzierte Entwicklungszeiten und damit -kosten. Zurzeit laufende Untersuchungen zur Modellierung des Kristallationsprozesses werden in der nächsten Entwicklungsstufe in den CFD-Code integriert und sollen eine Quantifizierung der Gefahr von Ablagerungen in der Abgasanlage ermöglichen. Literatur / References [1] AVL BOOST documentation, BOOST 2011, AVL LIST GmbH, A-8020 Graz, Austria, Abbildung 15: Berechneter NH 3 -Gleichverteilungsindex und Systemdruckverlust der untersuchten Varianten Figure 15: Predicted NH 3 -uniformity index and system pressure loss of the investigated variants 5. Summary and outlook Due to the upcoming emission legislation aftertreatment systems with highly effective SCR-catalysts are developed. As the de-no x -efficiency of the system is mainly determined by the ammonia uniformity, the main development attention is focussed in an optimum preparation and uniformity of the reducing agent AdBlue in front of the SCR catalyst. To investigate a high amount of possible design variants during the early development stages, a method based on advanced 3D CFD simulation has been developed. For that, all physical and chemical models necessary to describe the dosing and preparation of the reducing agents have been implemented in the commercial CFD-package AVL FIRE and validated against experimental data. The developed method has been applied to find an optimum injector fitting by investigating several variants of different injector positions and -angles. The application of the method allowed furthermore detecting deposit risks in the area of the injector cone. During the development of a Tier 4 SCR-system several variants have been investigated by the CFD aided method to improve the ammonia distribution at the SCR-catalyst without a penalty in back pressure. A significant improved geometry could be found. While aftertreatment systems become more and more complex, the application of the presented simulation method in the development process of aftertreatment systems allows for significantly reduced development times and costs. Currently on-going investigations to model the process of deposit formation in detail will be integrated in the CFDcode as next development step. This is supposed to enable a quantification of the risk of deposit formation in the aftertreatment system. 218

12 [2] AVL FIRE documentation, FIRE 2011, AVL LIST GmbH, A-8020 Graz, Austria, [3] Birkhold, F.: Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in Kraftfahrzeugen: Untersuchung der Einspritzung von Harnstoffwasserlösung. 20. Juni 2007 [4] Kuhnke, D.: Spray/Wall-Interaction Modelling by Dimensionless Data Analysis. Dissertation, Fachbereich Mathematik, Universität Darmstadt, [5] Meingast, U.: Spray/Wand-Wechselwirkung bei der dieselmotorischen Direkteinspritzung. Dissertation, Fakultät für Maschinenwesen, RWTH Aachen, [6] Schwarzenberg, M.: Untersuchung von Spraykonzepten zur Dosierung von Harnstoff-Wasser-Lösung beim Einsatz eines SCR-Verfahrens. Diplomarbeit, Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung, RWTH Aachen, [7] Wurzenberger J. C. and Wanker R. J.: "Multi-Scale SCR Modeling, 1D Kinetic Analysis and 3D System Simulation. Number SAE in SAE Technical Paper Series, 2005 [8] Wurzenberger J. C.; Wanker R. J, Schüssler, M.: "Simulation of Exhaust Gas Aftertreatment Systems Thermal Behavior During Different Operating Conditions ; Number SAE PFL-283 in SAE Technical Paper Series, 2008 [9] Dukowicz, J.: A Particle-Fluid Numerical Model for Liquid Sprays. Journal of Computational Physics, 35: ,