Modelling and Simulation of Filtration, Regeneration and Deposit Rearrangement Effects in Gas Filter Systems Examplified by a Diesel Soot Filter

Abstract

Modelling and Simulation of Filtration, Regeneration and Deposit Rearrangement Effects in Gas Filter Systems Examplified by a Diesel Soot FilterThe drastic tightening of regulations regarding emission limits of motor vehicles demands for an efficient exhaust gas treatment of diesel motor engines. One potential concept is an integrated diesel soot filter within the exhaust gas system. Basic requirement for a safe filter system operation is a fundamental comprehension of all involved individual processes. In this paper an experimentally validated CFD-model describing the life cycle of a diesel root filter is presented. Its results can be used to fully exploit the potential of such filter systems and provide a basis for a variety of applications in the field of gas filtration.Keywords: Diesel soot, Filtration, Gas filtration, Regeneration, Simulation ModellierungHoch dynamische Filtrations-und Regenerationsprozesse in Gasfiltersystemen können mit Standard-CFD-Codes, die in der numerischen Strömungssimulation benutzt werden, nicht simuliert werden. Aus diesem Grund wurde ein kommerzieller CFD-Code um selbsterstellte Programmroutinen erweitert, die in der Programmiersprache FORTRAN geschrieben wurden. Über offene Programmschnittstellen der Simulationssoftware sind diese sog. benutzerdefinierten Unterroutinen an den CFDCode angebunden. Nachfolgend werden die Grundzüge des Simulationsmodells am Beispiel eines Wall-Flow DPF beschrieben auf dessen spezifische Eigenschaften im Folgenden eingegangen wird. Geometrie und Berechnungsgebiet SimulationsablaufWie bereits erwähnt, muss der kommerzielle CFD-Code mit benutzerdefinierten Unterroutinen (UDF) erweitert werden, um die dynamischen Effekte der Filtration, der Regeneration und der Ascheeinlagerung zu beschreiben. Abb. 3 zeigt in der linken Hälfte eine Übersicht über den Simulationsablauf und die verwendete iterative, quasi-stationäre Vorgehensweise. Der in die Gl. (1) Die Berechnung des Druckverlustes erfolgt für jedes Element des Berechnungsgebiets, wobei zwischen Zellen der Deckschicht und Zellen der keramischen Filterwand unterschieden wird. Die Widerstandsbeiwerte (k i ) werden aus experimentellen Untersuchungen des Druckverlusts bei Durchströmung des DPF gewonnen [3]. e ist die Porosität, d i der mittlere Durchmesser der bereits abgeschiedenen Partikel und h i die Höhe der Gitterelemente. Die Durchströmungsgeschwindigkeit v und die dynamische Viskosität l sind Übergabegrö-ßen, die aus den Strömungsfeldberechnungen des CFD-Codes stammen. Um eine Rückwir-kung der Ablagerungen auf die Strömungs-feldberechnung zu erhalten, werden die berechneten Druckverluste über zusätzliche Senkenterme in die Navier-Stokes-Gleichungen eingebunden. Diese geben den Impulsverlust des Fluids beim Durchströmen von Filterkuchen und Filtermedium wieder.Der sich an die Beladung anschließende Regenerationsschritt beschreibt eine temperaturinduzierte Regeneration des DPF und führt zu einer Änderung der Ablagerungsmassen in der Deckschicht und in der Keramik. Grundlage des Regenerationsmodells i...