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Multiparameter Rekonstruktion mittels Laserabsorptions-Tomographie zur Untersuchung von Heißgasprozessen

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]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multiparameter Rekonstruktion mittels Laserabsorptions-Tomographie zur Untersuchung von Heißgasprozessen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Further optimizations of exhaust after treatment strategies are driven by both increasingly stricter regulations on the emission of nitrous oxides (NOx) and the introduction of Real Driving Emissions (RDE) tests where pollutants are measured under transient conditions. The state-of-the-art method to remove NOx from diesel engine emissions is the Selective Catalytic Reduction (SCR) where a urea-water-solution (UWS) is injected into the hot gas. Through thermolysis and hydrolysis ammonia is formed which reduces NOx within the SCR catalyst. Key parameters are the dosage as well as the distribution of the injected UWS. Overdosing can lead to ammonia slip while the legal limits for the NOx emissions cannot be maintained if underdosing occurs. To enable further optimization, the investigation of the distribution of the injected water as the carrier fluid is of great importance. For this purpose, the temporally resolved water temperature as well as concentration distribution is determined experimentally at a generic SCR test rig. As part of this work, a spectrometer was developed that is able to reconstruct the distribution of the species parameter of interest by performing non-intrusive tunable diode laser absorption measurements at an optically accessible measurement chamber in combination with the application of tomographic inversion methods. The developed tomographic spectrometer uses two orthogonal parallel beam bundles and two line scan camera based detection units. Due to the biaxiality of the instrument, the available data for reconstruction is limited which is why algorithms for limited data tomography (LDT) must be used and two different algorithms suitable for this class of tomography are implemented. Firstly, simulations and validation experiments under known conditions were performed with the tomographic spectrometer and the respective reconstruction algorithm. Promising results were achieved using the Squared Exponential Prior. Subsequently, six different operation conditions were investigated at the generic SCR test rig in the temperature range from 420 K – 720 K at axial flow velocities of 3 m/s and 5 m/s. The species parameter distribution within an injection cycle can be gained from the reconstruction of the measurement data that is phase-averaged with respect to the injection point in time. It is possible to determine the area of reliable reconstruction results from the introduction of a tomographic signal-to-noise-ratio. Two main phenomena can be recognized from the reconstruction results: the presence of a vapor boundary layer and a spray-induced vapor cone. The presented instrument is thus able to provide valuable data for further improvements of the SCR technology which can also be used for validation of numeric simulations.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 07 Oct 2020 13:59
Last Modified: 07 Oct 2020 13:59
DOI: 10.25534/tuprints-00013414
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-134141
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Mohri, Prof. Dr. Khadijeh
Refereed: 16 October 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13414
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