Aufklärung von Umlagerungsvorgängen reaktiv-inerter Partikelschichten in keramischen Querstromfiltern mittels aufgelöster Partikel-Simulationen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422374351

Quer- oder Wandstromfilter werden in der Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren verwendet. Ruß wird dabei im Filter abgeschieden und durch Regeneration mittels Oxidation wieder aus diesem entfernt. Über den Langzeitbetrieb verbleibt ein Inert-Anteil im Filter und lagert sich in Form unterschiedlicher Depositionsmuster im Filter ab. Die Art des Depositionsmusters beeinflusst Druckverlust und Abscheideverhalten des Filters. Bis heute ist nicht detailliert verstanden, wie die Bildung dieser Muster verläuft und welche Einflussfaktoren in welchem Ausmaß für diesen Vorgang von Relevanz sind. Das Ziel des Gesamtprojekts besteht in der Vorhersage der beim Filtrationsprozess entstehenden Ablagerungsmuster in Abhängigkeit verfahrenstechnisch relevanter Einflussfaktoren und dem Ableiten von Betriebsstrategien, mit denen Wandstromfilter entsprechend den gewünschten Zielgrößen so betrieben werden können, dass eine maximale Nutzungsdauer durch eine gezielte Minimierung des Druckverlusts erreicht werden kann. Hierzu wurden in einer ersten Projektphase oberflächen-aufgelöste Partikelsimulationen mittels der Lattice Boltzmann Methode anhand eines hierfür entwickelten Modells durchgeführt. Mit diesem wurden Untersuchungen über Schichtaufbruch, Resuspension und Transport individueller Partikel-Agglomerate für untere anwendungs-relevante Betriebsgrenzen durchgeführt. In einer zweiten Projektphase wurde das Modell dann erweitert und zur systematischen und isolierten Verknüpfung von relevanten Eingangsparametern und resultierenden Zielgrößen angewendet. Weiterhin fand eine intensive Auseinandersetzung mit den Ergebnissen eines experimentellen Partnerprojekts statt. Es stellt sich heraus, dass die Stabilität der Simulationen mit dem bestehenden Modell nicht über den gesamten Bereich relevanter Gasgeschwindigkeiten gewährleistet werden kann. Weiterhin führt eine globale Betrachtung der Oxidationsreaktion zu einer artifiziellen Beschleunigung der Umlagerungsvorgänge. Vergleiche mit Literaturdaten konnten durch unterschiedliche Skalen zwischen dokumentierten integralen Messwerten und lokalen Wirkungszusammenhängen nur bedingt umgesetzt werden. Das Ziel der hier beantragten dritten Projektphase besteht daher in der Erweiterung des Modells zur Berücksichtigung höherer Reynoldszahlen sowie lokaler Oxidations-Reaktionen auf mehreren Skalen. Durch weitere anvisierte Parameterstudien über den vollen anwendungs-relevanten Betriebsbereich soll damit eine größere Realitätsnähe erreicht werden. Dadurch ergeben sich neuen Erkenntnisse über reproduzierbare Beeinflussungsmöglichkeiten des Filtrationsprozesses in Wandstromfiltern. Das Gesamtprojekt leistet somit einen Betrag zur Sicherstellung eines effizienten Filtrationsverhaltes bei hoher Filternutzungsdauer sowie einhergehend zu einer Optimierung der Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Achim Dittler