van der Kley, Sani (2020):
Multiparameter Rekonstruktion mittels Laserabsorptions-Tomographie zur Untersuchung von Heißgasprozessen.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00013414,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Strikter werdende Regularien bezüglich des Ausstoßes von Stickoxiden (NOx) in Kombination mit einem geänderten Prüfzyklus (Real Driving emissions: RDE), der transiente und realitätsnahe Betriebsbedingungen abbildet, treiben die Optimierung von Abgasnachbehandlungsmethoden voran. Die derzeit effizienteste Methode NOx aus Dieselabgasen zu entfernen, ist die Selektive Katalytische Reduktion (Engl: Selective Catalytic Reduction: SCR), bei der die Einspritzung einer Harnstoff-Wasser- Lösung ins heiße Abgas die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak durch Thermo- und Hydrolyseprozesse bewirkt. Im SCR-Katalysator reduziert dieser die Stickoxide zu Stickstoff und Wasser. Neben der Dosierung ist die Verteilung der Harnstoff-Wasser- Lösung im Abgas von großer Bedeutung, da es weder zu einer lokalen Über- noch Unterdosierung kommen soll. Eine Unterdosierung hätte zur Folge, dass zu viele Stickoxide im Abgas verbleiben, eine Überdosierung hingegen kann zum Ammoniakschlupf führen. Damit kommt, im Zuge einer weiteren Optimierung, der Untersuchung der Verteilung von durch die Einspritzung in den SCR-Prozess eingebrachtem Wasser als Trägerfluid eine wichtige Rolle zu. Dazu soll die Temperatur- und Konzentrationsverteilung des Wassermoleküls zeitlich aufgelöst an einem generischen SCR-Prüfstand experimentell bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein Spektrometer entwickelt, welches anhand von nicht intrusiven Laserabsorptionsmessungen mittels durchstimmbarer Laserdioden an einer optisch zugänglichen Messkammer in Kombination mit tomographischen Inversionsmethoden die räumliche Verteilung der Speziesparameter rekonstruieren kann. Das entwickelte zeilenkamerabasierte tomographische Spektrometer weist zwei zueinander orthogonal stehende Parallelstrahlbündel auf. Da mit der Zweiachsigkeit des Aufbaus eine Limitierung der vorhandenen Informationen für die Rekonstruktion einhergeht, werden zwei für diese Klasse der Tomographie geeignete Rekonstruktionsmethoden vorgestellt und implementiert. Zunächst, wird die Einsatzfähigkeit des Spektrometers in Kombination mit den jeweiligen Rekonstruktionsmethoden anhand von Simulationen und Validierungsexperimenten beurteilt. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse, die mit dem tomographischen Spektrometer unter Nutzung des Square Exponential Priors erzielt werden können, folgt die Untersuchung von sechs unterschiedlichen Betriebspunkten am generischen Heißgaskanal. Diese umfassen einen weiten Temperaturbereich von 420 K-720 K und zwei Axialgeschwindigkeiten der Luftströmung, 3 m/s und 5 m/s. Die Rekonstruktion der phasenfest zur Injektion gemittelten Daten liefert den zeitlichen Verlauf der Speziesparameterverteilungen innerhalb eines Injektionszyklus'. Durch die Einführung eines tomographischen Signal-zu-Rauschverhältnisses kann zuverlässig das Gebiet eingegrenzt werden, in dem vertrauenswürdige Rekonstruktionen vorliegen. Anhand der gewonnen Daten kann eine Unterscheidung zweier dominanter Verteilungsphänomene ausgemacht werden: die filmdominierten und spraydominierten Verteilungen. Das in dieser Arbeit umgesetzte tomographische Spektrometer ist daher in der Lage für die Weiterentwicklung der SCR-Technologie relevante Daten zu generieren, die auch zu numerischen Validierungszwecken genutzt werden können.

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