Simulation katalytisch aktiver Partikelfilter für die Abgasnachbehandlung von Kraftfahrzeugen: reaktionstechnische Untersuchungen von Stoff- und Wärmetransporteffekten im Filter-Reaktor
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis v
1 Einleitung 1
1 1 Motivation 1
1 2 Aufgabenstellung 5
2 Stand der Wissenschaft und Technik 7
2 1 Partikelfilter 7
2 2 Simulation von Partikelfiltem 8
2 3 Partikelfilter für Benzinfahrzeuge (Gasoline Particulate Filter) 12
231 Motivation 12
232 Konzept, Machbarkeit und Auslegungskriterien 13
233 Kaltstartverhalten 16
234 Vergleich Durchflussmonolith und Partikelfilter 17
2 4 Selektive Katalytische Reduktion 19
241 Motivation und Konzept des SDPF 19
242 Simulationsstudien SDPF 21
243 NH3 Dosierstrategie 22
2 5 Verhalten von Ruß 24
251 Partikelemissionen und Ruß 24
252 Regeneration von Ruß 26
253 Mechanismen der Rußoxidation 27
2531 02 als Oxidationsmittel 27
2532 N02 als Oxidationsmittel 29
254 Kinetische Modellierung der Rußregeneration 31
2541 Oxidation mit 02 32
2542 Oxidation mit N02 33
3 Methoden 35
3 1 Experiment 35
311 Katalysator-Proben 35
3111 Drei-Wege-Katalysatoren 35
3112 Filtersubstrate für die Rußbeladung 36
312 Modellgasanlage 36
313 Laborreaktoren und Versuchsdurchführung 37
3131 Fast-Light-Off Reaktor 37
3132 Druckverlust-Reaktor 38
3133 Berußung am Motorprüfstand 39
3134 Validierung des Druckverlust-Reaktors 40
i
3 2 Modellierung 41
321 Physikalisches Modell für den Partikelfilter 41
322 Physikalisches Modell für den Durchfluss-Monolithen 49
323 Kinetische Modelle 51
3231 CO-Oxidation 52
3232 SCR-Washcoat 52
3233 Ruß Oxidation 53
324 Ammoniak Dosierstrategie 53
3241 Konzept der Dosierstrategie 54
3242 Optimierungsproblem 55
4 Ergebnisse und Diskussion 57
4 1 Reaktionstechnische Untersuchung des Umsatzverhaltens von Monolith und Filter 57
411 Vergleich Monolith und Filter 58
4111 Konzept der reaktionstechnischen Untersuchungen 58
4112 Vergleich des Katalysatorwirkungsgrades 59
4113 Wirkungsgrad-Minimum beim Filter-Reaktor 61
412 Sensitivitätsanalyse der Einflussfaktoren 63
4121 Dimensionslose Kennzahlen 63
4122 Damköhler-Zahl I - Dal 66
4123 Äußerer Stofftransport - Bo/Pewau 69
4124 Variation der Freiheitsgrade 70
4125 Axiale Ungleichverteilung der Strömungsgeschwindigkeit 71
413 Zusammenfassung 73
4 2 Kaltstart-Verhalten am Beispiel des GPF 75
421 Experimenteller Vergleich des Kaltstart-Verhaltens für Filter und Monolith 75
422 Vergleich Experiment und Simulation 77
4221 Parametrierung des kinetischen Modells für die CO-Oxidation 77
4222 Modellvorhersage für den Kaltstart des Filters 77
423 Sensitivitätsanalyse 79
4231 Einfluss der thermischen Masse des Katalysators 79
4232 Einfluss der Zelldichte 81
4233 Einfluss der Wärmekapazität der Stopfen 82
4234 Intrinsische Unterschiede zwischen Filter und Monolith 83
4 3 Selektive katalytische Reduktion am SDPF 91
431 Ammoniak-Dosierstrategie für SCR-Katalysatoren 91
4311 Optimierung der NH3-Dosierstrategie 91
4312 Robustheit der Dosierstrategie 94
4313 Vergleich unterschiedlicher Katalysatortechnologien 96
432 Stationärer Umsatz des SDPF 97
433 Transientes Verhalten des SDPF 98
4331 Dynamisches NH3-Speicherverhalten 98
4332 Systemantwort auf einen Temperatursprung 100
434 Realitätsnaher Vergleich am Fahrzyklus 102
4341 Optimierung der Ammoniak-Dosierstrategie 102
ii
4342 Vergleich von Filter und Monolith 103
4 4 Verhalten von Ruß 105
441 Parametrierung des Simulationsmodells 105
4411 Druckverlust 105
4412 Regeneration mit 02 112
4413 Regeneration mit N02 115
4414 Validierung 118
442 Anwendungsbeispiel - SDPF 120
4421 Vergleich der Rußregeneration 120
4422 Ursache für den beobachteten Unterschied 122
4423 Einfluss des N02 zu NOx Verhältnisses 123
4424 Modellstudie: Radiale Zonierung 125
5 Zusammenfassung 129
6 Ausblick 135
Literaturverzeichnis 137
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