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Main Title: Simulation von Autoabgasanlagen
Translated Title: Simulation of automotive exhaust systems
Author(s): Bogdanic, Matija
Advisor(s): Behrendt, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Anforderungen an Abgasnachbehandlungsanlagen, die Emissionsgrenzwerte der geltenden Abgasnorm einzuhalten, sind in den letzten Jahren aufgrund einer steten Verschärfung der gesetzlichen Rahmenbedingungen gestiegen. Das Beispiel der bereits beschlossenen Euro 6-Norm zeigt, dass mit ihrer Einführung eine NOx-Abgasnachbehandlung, zu nennen sind NOx-Speicherkatalysatoren und SCR-Katalysatoren, zwingend notwendig sein wird. Die Entwicklung neuer Abgasnachbehandlungsanlagen ist folglich immer zeit- und kostenintensiver geworden. Die Simulation kann helfen, diesen Entwicklungsprozess zu verkürzen. Mit ihr können unterschiedlichste Konzepte vorab untersucht werden, wodurch der experimentelle Aufwand verringert werden kann. Ferner kann durch „Model-In-The-Loop“ bzw. „Hardware-In-The-Loop“ die Funktionsentwicklung und das Testen dieser Funktionen für die Steuergeräteentwicklung unterstützt werden. Das Ziel dieser Arbeit, die in Zusammenarbeit mit der IAV GmbH in Berlin durchgeführt wurde, ist es, das bestehende CAE-Tool IAV-Exhaust® zu testen und zu verbessern. Dieses CAE-Tool wurde entwickelt, um Abgasnachbehandlungsanlagen, bestehend aus Einfachrohren und luftspaltisolierten Rohren, Drei-Wege- oder Dieseloxidationskatalysatoren und/oder Dieselpartikelfiltern, zu simulieren. Die thermodynamische Validierung – der innere und äußere Wärmeübergang – ist bereits in vorangegangener Arbeit durchgeführt worden. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der chemischen Validierung des Drei-Wege-Katalysators und des Dieselpartikelfilters. Hierzu wurden verschiedene Versuche auf Motor- und Rollenprüfständen der IAV GmbH durchgeführt. Im Rahmen der chemischen Validierung wurden zuerst die kinetischen Parameter der chemischen Teilmodelle anhand von Lastpunkten des Motorkennfeldes ermittelt. Um die Anwendbarkeit des CAE-Tools zu testen, wurde im Anschluss an die Parametrierung das Modell in anderen Lastpunkten des Motorkennfeldes oder anhand des „Neuen Europäischen Fahrzyklus“ NEFZ getestet. Reicht eine Anpassung der Modelle in einem bestimmten Kennfeldpunkt aus, um verschiedenste Zustände zu simulieren bzw. Beutelergebnisse eines Abgastests (NEFZ) vorherzusagen? Bei den Ergebnissen der Dieselpartikelfilter-Simulationen waren anfangs vor allem beim Druckverlust starke Abweichungen zwischen Messung und Simulation vorhanden. Aus diesem Grund wurden Modellerweiterungen implementiert, die sowohl zu deutlich verbesserten Druckverlustverläufen als auch zu Verbesserungen bei den Rußbeladungskurven während der Regeneration führten. Zur Anpassung der kinetischen Parameter des Rußabbrands ist hierbei eine Methode entwickelt worden, bei der der experimentelle Rußabbrand mit dem simulierten anhand von zeitlichen Rußverläufen verglichen wird. Der zum Vergleich benötigte experimentelle Rußverlauf wird dabei durch eine Bilanz der C-Atome in Verbindung mit einer vorab durchgeführten Datenbehandlung ermittelt. Die Ergebnisse der Drei-Wege-Katalysator-Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment. Abweichungen bei der Simulation stationärer Lastpunkte sind noch im Bereich unterstöchiometrischer Verbrennung (hohe Fahrzeuggeschwindigkeit und hohes Drehmoment) vorhanden, was auf eine fehlende Modelltiefe zurückgeführt werden kann. Eine Verbesserung der Güte der Ergebnisse könnte durch die Implementierung weiterer Reaktionskinetiken, wie z. B. der Adsorption von Kohlenwasserstoffen, der „Water-Gas Shift“ und „Steam-Reforming“-Reaktion erreicht werden.
As regulations become more stringent new exhaust aftertreatment devices have to be developed in order to meet the limits; e. g. with the entry into force of Euro 6 limits diesel applications will be in need of NOx-storage catalysts or the SCR-technology. Thus the development of new exhaust aftertreatment devices becomes more and more time and cost intensive. The chance of modelling is to shorten this process. A wide range of applications can be simulated in order to reduce the experimental effort. Moreover regarding motor management, simulations can help to develop and to test models for the electronic control unit due to "model-in-the-loop" and "hardware-in-the-loop" simulations. The aim of the present work is to test and improve the existing CAE-tool IAV-Exhaust®, which is done in cooperation with the IAV GmbH in Berlin. This CAE-tool is developed for the simulation of exhaust aftertreatment devices, consisting of single and/or air-gap insulated pipes, three-way catalytic converters or diesel oxidation catalysts and/or diesel particulate filters. Thermodynamical validation regarding inner and outer heat transfer has been done in previous work. The focus of the present work is laid upon the chemical validation of three-way catalytic converter and diesel particulate filter models. Therefore different experiments have been done on engine and dynamometer test benches. At first kinetic parameters are tuned to a set of data, consisting of one or several points out of engine operating map. In order to check the applicability of the tool, parameter tuning is followed by a validation at other operating conditions or a test cycle as the NEDC. Does a parameter tuning to one set of data suffices to simulate different operating conditions or constant volume sampling results of an emission test procedure? Concerning the particulate filter simulations first results showed deviations between measured and computed pressure drop profiles during regeneration. Due to these results model extensions have been implemented resulting in an improvement of not only pressure drop profiles but also soot loading curves. In terms of kinetic parameter tuning a method has been introduced which monitors soot loading during regeneration and is used to fit kinetic parameters. The experimental soot loading curve is gained by balancing C-atoms in combination with a data treatment. The results obtained of three-way catalytic converter simulations show a good agreement between simulation and experiment. Deviations exist regarding steady-state data at rich conditions (high engine speed and high torque) which is contributed to a lack of modelling. Implementing kinetic submodels, as adsorption of hydrocarbons or water-gas shift and steam-reforming reaction, will perhaps lead to more appropriate results.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16006
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1941
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1644
Exam Date: 25-May-2007
Issue Date: 17-Jul-2007
Date Available: 17-Jul-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Abgasnachbehandlung
Fahrzeugtechnik
Katalysator
Partikelfilter
Simulation
Automotive engineering
Catalytic converter
Exhaust aftertreatment
Particulate filter
Simulation
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