Wandwärmeübergang bei der Injektion von Harnstoffwassersprays: Einfluss von Material- und Oberflächeneigenschaften
David Schweigert
Zur Senkung des Stickoxidausstoßes moderner Dieselmotoren hat sich die selektive katalytische Reduktion (SCR) mittels AdBlue sowohl im Nutzfahrzeug- als auch im PKW-Segment durchgesetzt. Mit den durch die Gesetzgebung vorgegebenen stetig sinkenden Emissionsgrenzwerten sind verstärkt Maßnahmen zur Verbesserung des NOx-Umsatzes notwendig. Die damit einhergehenden höheren AdBlue-Dosiermengen führen zu einem erhöhten Risiko zur Ablagerungsbildung aus Harnstoff und dessen Folgeprodukte, die zu einem funktionellen Versagen des Abgasanlagensystems führen können. Um das Ablagerungsrisiko zu mindern, ist der weitere Verständnisaufbau zu den physikalisch-chemischen Prozessen im SCR-System erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Spray-Wand-Interaktion und den dabei auftretenden Phänomenen der Wärmeübertragung und Wandbenetzung. Mithilfe von visuellen Highspeed- und Infrarotthermographieaufnahmen kann die Spray-Wand-Interaktion qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Durch Variation der Material- und Oberflächeneigenschaften kann der Spray-Wand-Wärmeübergang wesentlich beeinflusst werden. Eine thermische Vorkonditionierung der Proben und die dadurch induzierte Veränderung der Benetzbarkeit führt zu einer Hysterese im Wärmeübergang. Die charakteristischen Wärmeübergangsgrößen weisen eine deutliche Abhängigkeit von den Benetzungseigenschaften der Oberfläche auf. Im hydrophilen Oberflächenzustand werden die Leidenfrosttemperatur und die kritische Temperatur zu deutlich höheren Temperaturen verschoben. Eine Variation des Wandmaterials mit dem Fokus die thermischen Eigenschaften in einem breiten Bereich zu variieren, führt zu weiteren signifikanten Verschiebungen der Siedekurve. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse kann eine gezieltere Entwicklung von Beschichtungen der spraybeaufschlagten Flächen erfolgen, wodurch eine Reduktion der Wandfilmbildung und eine bessere SCR-Systemrobustheit gegenüber der Bildung von Ablagerungen erreicht werden könnte.
