Porenaufgelöste Simulation der Transporteffekte in katalytisch aktiven Partikelfiltern auf Basis der Mikrotomographie

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Modellierung von katalytisch aktiven Partikelfiltern für die Autoabgasnachbehandlung. Der Fokus liegt auf der Untersuchung der Transporteffekte von reaktiven Strömungen in der porösen Filterwand im Mikrometerbereich. Als primäre Charakterisierungsmethode kommt die Röntgenmikrotomographie zum Einsatz, die eine dreidimensionale Auflösung der porösen und mit Katalysator beschichteten Filterwände ermöglicht. Durch Segmentierung wird eine dreidimensionale Simulationsgeometrie einer porösen Filterwand erzeugt. Mithilfe eines speziellen Simulationsprogramms wird in dieser Geometrie die reaktive Strömung für eine einfache Testreaktion modelliert. Durch den Abgleich mit einem idealisierten Wandmodell ist eine signifikante Stofftransportlimitierung in der beschichten Filterwand identifiziert worden. Mithilfe des literaturbekannten Konzeptes des Katalysatorwirkungsgrades lässt sich das Umsatzverhalten für eine Reaktionskinetik erster Ordnung durch ein vereinfachtes Wandmodell beschreiben. Um die Transporteffekte auch bei, in der Abgasnachbehandlung typischen, Reaktionsnetzen zu berücksichtigen, wird in dieser Arbeit das Konzept des internen Massentransfers von Balakotaiah zum ersten Mal für heterogene poröse Filterwände angewandt. Mithilfe von geeigneten Testgeometrien und reaktionen wird zudem die zu erwartende Genauigkeit dieses Ansatzes untersucht. Zuletzt wird der Einfluss der Stofftransportlimitierung in einem typischen Anwendungsfall getestet. Im Vergleich mit einem Modell ohne Stofftransportlimitierungen werden erhebliche Abweichungen festgestellt