title: Charakterisierung von Flüssigkeitsfilmen mittels Laserabsorptionsspektroskopie in der Abgasnachbehandlung
Creators: name: von der Heyden, Anna
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2023

description: Die Auswirkungen des Klimawandels führen zu einer zunehmenden Sensibilisierung für den Schutz von Umwelt und Gesundheit. Ein wesentlicher Aspekt betrifft dabei die Reduktion der Stickoxide aus Dieselmotoren auf Grundlage der selektiven katalytischen Reduktion (SCR). In SCR-Systemen reagieren Stickoxide katalytisch mit Ammoniak zu molekularem Stickstoff und Wasser. Aus Sicherheitsgründen wird Ammoniak jedoch nicht als reine Flüssigkeit in Fahrzeugen mitgeführt, sondern eine Harnstoff-Wasser-Lösung (32,5 %m Harnstoff, HWL) verwendet, die in den heißen Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator eingespritzt wird. Durch thermische Zersetzung und anschließende Hydrolyse des Zwischenprodukts Isocyansäure wird die Lösung zu Ammoniak und Kohlendioxid umgesetzt. Obwohl dieses De-NOx-SCR-Verfahren in der Serienapplikation von Dieselfahrzeugen bereits seit Längerem Anwendung findet, weist es noch immer erhebliche Mängel auf. Insbesondere die Benetzung der Wände des Abgassystems während der Einspritzung ist ein unerwünschter und effektivitätsmindernder Prozess. Um die Robustheit und Regelbarkeit von SCR-Systemen zu optimieren, wird daher ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse benötigt, die der Entstehung von Flüssigkeitsfilmen zugrunde liegen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein absorptionsbasierter Filmdickensensor entwickelt und validiert. Mit diesem Sensor ist es möglich, Filme berührungslos und zeitlich hochdynamisch zu vermessen. Die robuste Auslegung des Sensors ermöglicht es dabei, in SCR Umgebungen mit hohen Temperaturen und begrenztem optischen Zugang zu messen. Um nachfolgend mit dem validierten Sensor Filme in einer SCR-Umgebung wohldefiniert untersuchen zu können, wurde ein generischer Prüfstand mit kontrollierbaren und reproduzierbaren Randbedingungen konzipiert. In diesem können variabel Temperaturen und Massenströme in einem für SCR-Anwendungen typischen Bereich eingestellt werden. Anschließend erfolgte die Messung von Filmdicken an diesem Prüfstand unter systematischer Variation der Parameter Temperatur, Geschwindigkeit und Eindüsungsmenge. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich grundsätzlich die Filmbildung nicht vermeiden lässt. Der im Film gebundene Harnstoff kann dem Prozess nur mit zeitlicher Verzögerung zur Verfügung gestellt werden. Dies hat zur Folge, dass die Stickoxidkonversion reduziert und damit die Effektivität von SCR-Systemen gemindert wird. Deshalb sind neben der Filmbildung auch die grundsätzlichen Prozesse der Verdampfung einer HWL von Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine neue Messtechnik entwickelt werden, die in der Lage ist, alle drei Filmparameter von dynamischen HWL-Filmen auf technischen Oberflächen simultan zu messen. Durch eine zusätzliche Messung der Gasphase über dem Film konnte dabei zudem gezeigt werden, dass sich bereits in der Anfangsphase der Filmverdunstung Ammoniak bildet. Dies ist von großer Bedeutung für weitere grundlegende Untersuchungen, die dem Verständnis der Verdunstungsprozesse dienen.