Entwicklung eines innovativen Abgasnachbehandlungssystems

Abstract

GE Jenbacher ist einer der führenden Gasmotorenhersteller weltweit und hat sich neben der ständigen Effizienzsteigerung der Produktpalette auch der Minimierung deren Emissionen verschrieben. Dies verlangt sowohl eine Weiterentwicklung der bewährten Konzepte als auch die Suche nach neuen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines innovativen Abgasnachbehandlungssystems, bei welchem die Reduktion von unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie Kohlenmonoxid im Vordergrund steht. Herkömmliche Systeme setzen hierzu Katalysatoren ein, die durch spezielle Beschichtungen die Oxidation zu unschädlichen Komponenten gewährleisten. Diese Beschichtungen sind jedoch anfällig für sogenannte "Katalysatorgifte" und beeinträchtigen die Umsatzrate des Katalysators. Um diese Problematik zu umgehen, wird in dieser Arbeit erörtert, wie durch rein thermische Oxidation die Emissionen gesenkt werden können. Das Konzept sieht vor, keine zusätzliche Energie zuzuführen, um die nötigen Temperaturen zu erreichen. Daher wird die Wärmeenergie, die durch die Oxidation der Restkomponenten entsteht, rückgeführt und somit im System gehalten. Dies wird über einen Wärmetauscher bewerkstelligt. Erste Simulationen mit dem Programm GateCycle zeigten, dass die Temperaturerhöhung in der Reaktionskammer stark von der Wärmetauscherfläche abhängig ist. Des Weiteren hat die Wärmedichtheit des Gesamtsystems großen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Versuche auf einem Motorprüfstand und in einem eigens dafür entwickelten Verbrennungslabor ergaben, dass die Nachreaktion wie gewünscht stattfand. Jedoch war der Primärenergieaufwand durch mangelnde Isolierung und einen zu geringen Wärmerückgewinn, der durch einen Montagefehler des Wärmetauschers entstand, höher als erwartet. Das Potential des Konzeptes ist jedoch sehr hoch und die aufgetretenen Probleme mit entsprechendem Aufwand lösbar.

GE Jenbacher is one of the world´s leading manufacturers of gas engines and committed itself to raise the efficiency of their product range as well as to lower the emissions at the same time. This requires both: the development of proven concepts as well as the search for new ones. The present work deals with the development of an innovative system for exhaust aftertreatment, in which the reduction of unburned hydrocarbons and carbon monoxide are prioritized. Traditional systems are using catalysts which ensure the oxidation into innocuous components by special coatings. These coatings are susceptible to so-called "catalyst poison" and affect the rate of conversion of the catalyst. This work describes how to deal with this problem by using solely thermal conversion to lower the emissions. The concept provides for no additional energy supply to reach the necessary temperatures. Therefore the heat which is generated by the unburned components is recuperated to remain in the system. This is managed by a heat exchanger. Preliminary simulations with the analysis program GateCycle showed that the rise of temperature is strongly dependent on the surface area of the heat exchanger. In addition, the impermeability of heat has a great influence on the operability. Experiments on an engine test bench and in a dedicated laboratory revealed that the consecutive reaction occurred as predicted. But the input of primary energy was higher as expected due to insufficient insulation and recuperation of heat determined by a defective mounting. The concept still shows a high potential and with an appropriate effort the problems may well be resolved.