Abstract:
Wandstromfilter werden bei der Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren eingesetzt, wo sie zur Entfernung von emittierten Partikeln verwendet werden.
Solche Filter bestehen aus gegenläufig angeordneten Ein- und Auslasskanälen, die durch poröse Substratwände getrennt sind.
Beim Durchströmen des Filters wird das eintretende Abgas gezwungen, diese Wände zu passieren, während ein Großteil der Partikeln abgeschieden wird.
Auf diese Weise bildet der eingetragene Feststoff auf dem Filtersubstrat eine durchlässige Partikelschicht.
Mit der Zeit nimmt deren Dicke, und damit der Druckverlust, über den Filter zu, sodass eine Regeneration des Filters erforderlich wird.
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Während eines solchen Regenerationsvorgangs kann die geschlossene Schicht in einzelne Schichtfragmente aufbrechen, die sich potenziell innerhalb einzelner Filterkanäle umlagern.
Dies kann schließlich zur Bildung bestimmter Ablagerungsmuster führen, die den Druckverlust eines Filters, seine Asche-Speicherkapazität und den Gesamtabscheidegrad beeinflussen.
Der Umlagerungsprozess wird durch die Wechselwirkung von hydrodynamischen und adhäsiven Kräften bestimmt, die nur durch die Berücksichtigung der Oberflächen einzelner Schichtfragmente genau modelliert werden können.
Trotz der bekannten Bedeutung für den Filtrationsprozess lässt sich die Ausbildung bestimmter Ablagerungsmuster noch nicht eindeutig auf bestimmte Einflussfaktoren zurückführen. Weiterhin fehlen geeignete Berechnungsmodelle, die eine Quantifizierung der entsprechenden Faktoren ermöglichen.
Die vorliegende Arbeit verfolgt daher den Ansatz einer grundlegenden Untersuchung von Umlagerungsvorgängen in keramischen Wandstromfiltern mittels oberflächenaufgelöster Partikelsimulationen mit Lattice-Boltzmann-Methoden (LBM).
Das Hauptziel ist dabei die Bestimmung der Sensitivität und die Quantifizierung der Auswirkungen von ingenieurtechnischen Einflussfaktoren auf den transienten Umlagerungsprozess in Wandstromfiltern.
Eine vielseitige und leicht erweiterbare Implementierung der Lattice-Boltzmann-Methode wird durch die Open-Source-Software OpenLB bereitgestellt.
Diese wird daher in der vorliegenden Arbeit verwendet und entsprechend erweitert.
Auf diese Weise wird die Erhaltung der entwickelten Methodik in einer öffentlich zugänglichen Ressource gewährleistet, die eine vollständige Reproduzierbarkeit der erzielten Ergebnisse ermöglicht.
Die Entwicklung und Anwendung eines geeigneten Simulationsmodells erfolgt in vier aufeinanderfolgenden Schritten, die auf vier separaten Arbeiten beruhen.
Der erste Schritt ist der Modellentwicklung gewidmet, indem ein Simulationsansatz bereitgestellt wird, der in der Lage ist, die zeitabhängige Entwicklung des gasförmigen Strömungsfeldes innerhalb eines Wandstromfilters während seiner Regeneration abzubilden.
Seine Gültigkeit und Anwendbarkeit wird durch die Durchführung von Gitterkonvergenzstudien und den Vergleich mit einer Referenzlösung bewertet.
Eine stationäre fragmentierte Partikelschicht wird im Hinblick auf die räumliche Verteilung der wirkenden hydrodynamischen Kräfte und den Einfluss von Fragmentclustern an verschiedenen Kanalpositionen untersucht.
Anschließend werden einige erste instationäre Simulationen der Ablösung von Partikelschicht-Fragmenten in einem Regime kleiner Gasgeschwindigkeiten durchgeführt und die Auswirkungen verschiedener Schichteigenschaften untersucht.
Ein zweiter Schritt soll nähere Einblicke in das Verhalten einzelner Schichtfragmente während der Filterregeneration geben.
In diesem Zusammenhang wird die zeitliche Entwicklung der hydrodynamischen Kräfte, die auf die Oberfläche eines Fragments wirken, für unterschiedliche Fragmentdichten und Ablösepositionen detailliert untersucht.
Relevante Schlüsselgrößen, wie die Aufprallgeschwindigkeit am Kanalende und die Stoppdistanz, werden definiert, bestimmt und im Hinblick auf Vorhersagen über die resultierenden Ablagerungsmuster interpretiert.
Zunächst wird eine physikalisch sinnvolle Substratpermeabilität durch einander entsprechende experimentelle und numerische Druckverluststudien ermittelt.
Anschließend wird das zeitliche Verhalten einzelner Schichtfragmente mit unterschiedlichen Dichten unter Berücksichtigung aller wirkenden Kräfte detailliert untersucht.
Der pneumatische Transport der Fragmente durch den Kanal wird dann für verschiedene Startpositionen, Substratpermeabilitäten, Einströmgeschwindigkeiten und mittlere Feststoffdichten der eingetragenen Partikeln untersucht.
Schließlich werden die allgemeinen Bewegungsmerkmale hinsichtlich ihrer qualitativen Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen bewertet.
In einem dritten Schritt wird der entwickelte LBM-Ansatz auf einen erweiterten Geschwindigkeitsbereich angewandt, der einen möglichst großen Teil des physikalisch relevanten Bereichs abdeckt und mittlere Kanal-Einströmgeschwindigkeiten von bis zu 80 m/s umfasst.
Nach einer Anpassung der Randbedingungen werden drei verschiedene Szenarien untersucht, indem nur die partikelfreie Strömung, ein einzelnes Schichtfragment, das an einer der Substratwände haftet, und eine fragmentierte Partikelschicht betrachtet werden.
Zunächst wird eine umfassende Quantifizierung der Stabilität und Genauigkeit sowohl der partikelfreien als auch der partikelbehafteten Strömungen unter Berücksichtigung statischer, Schichtfragmente durchgeführt.
Anschließend werden die lokalen Auswirkungen einer fragmentierten Partikelschicht für verschiedene stationäre Situationen entlang des Kanals untersucht.
Um Vorhersagen über die Ablösewahrscheinlichkeit einzelner Schichtfragmente und deren gegenseitige Beeinflussung ableiten zu können, wird zusätzlich die räumliche Verteilung der hydrodynamischen Kräfte ausgewertet.
Ein letzter Schritt ist speziell der Untersuchung des Prozesses der Stopfenbildung gewidmet, indem zusätzlich das dynamische Verhalten der Schichtfragmente nach der Schichtfragmentierung betrachtet wird.
Dies umfasst die Ablösung und den Transport der Fragmente entlang des Kanals sowie die anschließende Stopfen-Bildung.
Um den Kontakt der Fragmente während ihres Transports genau zu berücksichtigen, wird das Modell um eine zuvor entwickelte diskrete Kontaktmethode erweitert.
Mit dem aktualisierten Modell wird der Einfluss der Topologie der Fragmentschicht, der Eigenschaften der Fragmente und der Betriebsbedingungen bewertet und relevante Schlüsselgrößen werden bestimmt.
Die mit diesen vier Schritten erzielten Ergebnisse stellen eine umfassende Quantifizierung der Auswirkungen relevanter Einflussfaktoren auf verschiedene Aspekte des transienten Umlagerungsprozesses in Wandstromfiltern dar.
Damit leistet die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag zu den noch bestehenden Forschungslücken in diesem Bereich.
Darüber hinaus beschreibt sie potenzielle Möglichkeiten für Modifikationen des Filtrationsprozesses, die zu einer Optimierung von Motorleistung, Kraftstoffverbrauch und Lebensdauer von Wandstromfiltern führen können.
Abstract (englisch):
Wall-flow filters are applied in the exhaust treatment of internal combustion engines, where they are used for the removal of emitted particulate matter (PM).
Such filters consist of oppositely arranged inlet and outlet channels separated by porous substrate walls.
When traversing the filter, the entering exhaust gas is forced to pass through those walls while being stripped from the majority of the contained particles.
This way, the introduced solid material forms a permeable deposition layer on the filter substrate with continuously increasing thickness.
Over time, the pressure drop over the filter increases, respectively, leading to the necessity of the filter's regeneration.
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During such a regeneration process, the coherent layer can break up into individual layer fragments, which potentially rearrange inside single filter channels.
This can, eventually, lead to the formation of specific deposition patterns, which affect a filter's pressure drop, its ash storage capacity and the overall separation efficiency.
The rearrangement process is governed by the interaction of hydrodynamic and adhesive forces, which can only be accurately modelled by taking the surfaces of individual layer fragments into account.
Despite its well-known significance on the filtration process, the formation of specific deposition patterns can still not consistently be attributed to particular influence factors and appropriate calculation models that enable a quantification of respective factors do not exist.
This present work, therefore, approaches a fundamental investigation of particle-layer rearrangement events in ceramic wall-flow filters by means of surface resolved particle simulations with lattice Boltzmann methods (LBM).
The main goal is the determination of the sensitivity and the quantification of the impact of engineering-related influence factors on the transient rearrangement process in wall-flow filters.
A versatile and easily extendable implementation of the lattice Boltzmann method is provided by the open source software OpenLB.
It is therefore used and extended accordingly in the present work.
This way, the conservation of the developed methodology is ensured in a publicly available resource that enables full reproducibility of the obtained results.
The development and application of an appropriate simulation model is considered in four consecutive solution steps, which are based on four separate works.
The first step is dedicated to the model development by providing a simulation approach, which is capable of capturing the time dependent development of the gaseous flow field inside a wall-flow filter during its regeneration.
Its validity and applicability is then assessed by conducting grid convergence studies and comparing it to a reference solution.
A static fragmented particle layer is examined regarding the spatial distribution of the acting hydrodynamic forces and the impact of fragment clusters at different channel positions.
Afterwards, some first transient simulations of fragment detachment are conducted in a low velocity regime and the impact of assorted layer properties is examined.
A second step is intended to provide closer insights into the behaviour of individual particle layer fragments during the filter regeneration.
In this context, the temporal evolution of the hydrodynamic forces acting on a fragment's surface are examined in detail for different fragment densities and detachment positions.
Relevant key quantities, such as the impact velocity at the channel's back wall and the stopping distance, are defined, determined and interpreted with respect to predictions regarding the resulting deposition patterns.
At first, a physically sensible substrate permeability is determined by performing aligned experimental and numerical pressure drop studies.
Afterwards, the transient behaviour of single particle layer fragments with different densities are examined in detail with respect to all acting forces.
The fragment's pneumatic transport through the channel is then investigated for different starting positions, substrate permeabilities, inflow velocities and average densities of the introduced particulate matter.
Eventually, the general movement characteristics are assessed with respect to their qualitative accordance with experimental observations.
In a third step, the developed LBM approach is applied to an extended velocity range that covers as much as possible of the physically relevant domain, which includes averaged channel inflow velocities of up to 80 m/s.
After an adaption of the boundary conditions, three different scenarios are investigated, by considering the particle-free flow only, a single layer fragment attached to one of the substrate walls and a fragmented particle layer.
At first, a comprehensive quantification of the stability and accuracy of both particle-free and particle-including flows, considering static, impermeable deposition-layer fragments, is conducted.
Afterwards, the local effects of a fragmented particle layer are investigated for different static situations along the channel.
In order to derive predictions on the detachment likelihood of individual layer fragments and their mutual influence, the spatial distribution of hydrodynamic forces is evaluated additionally.
A final step is specifically dedicated to the investigation of the process of plug formation, by additionally considering the fragments' dynamic behaviour following the layer fragmentation.
This includes the detachment and transport of the fragments along the channel, as well as the subsequent formation of a channel-plug.
In order to accurately account for fragment contact during their transport, the model is extended by a previously developed discrete contact method.
With the updated model, the influence of the fragmented layer topology, the fragment properties and the operating conditions is evaluated and relevant key quantities are determined.
The results attained with those four steps represent a comprehensive quantification of the impact of relevant influence factors on various aspects of the transient rearrangement process in wall-flow filters.
In that way, the present work represents a significant contribution to the persisting research gaps in this field.
It additionally, provides potential opportunities for modifications of the filtration process, which could lead to an optimization of engine performance, fuel consumption and service life of wall-flow filters.
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