INGAS Sub-project B2.3
Bearbeiter: Dipl.-Ing. M. Rink
Stand der Technik
Sämtliche aktuell am Markt verfügbaren bivalenten Erdgasmotoren arbeiten im CNG-Betrieb mit stöchiometrischem Kraftstoff-/Luftgemisch. Mercedes-Benz bietet einen kompressorgeladenen Motor an, Volkswagen und Opel setzen auf turbogeladene Konzepte. Für die Abgasnachbehandlung dieser Motoren werden herkömmliche Drei-Wege-Katalysatoren verwendet. Das Abgas besteht jedoch im Erdgasbetrieb zu einem großen Anteil aus Methan, dem stabilsten Kohlenwasserstoff-Molekül. Aus diesem Grund liegt die für den Methanumsatz erforderliche Katalysatortemperatur um 100 – 200 K höher als bei vergleichbaren Benzinmotoren.
Während des vom Gesetzgeber vorgeschriebenen „New European Drive Cycle“ (NEDC) treten bei den oben beschriebenen Motorkonzepten Abgastemperaturen über den für die katalytische Zündung von Methan typischerweise erforderlichen 450 °C auf. Daher können heutige bivalente Erdgasmotoren die in der EU4-Abgasnorm geforderten Grenzwerte (Gesamtkohlenwasserstoffgehalt < 100 mg/km) erfüllen. In diesem Fall wird ein großer Teil der Kohlenwasserstoffe während des Kaltstarts emittiert. Für die aktuell angebotenen bivalenten CNG-Fahrzeuge stellt dies kein Problem dar, da der Kaltstart automatisch im Benzinbetrieb durchgeführt wird und die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoff- und CO-Anteile eine schnelle Zündung der katalytischen Verbrennung gewährleisten. Für zukünftig geplante monovalente CNG-Fahrzeuge steht diese Alternative jedoch nicht mehr zur Verfügung.
Der eigentliche Nachteil aller heutigen Konzepte besteht darin, dass das Temperaturmanagement des Abgaskatalysators durch den Motor erfolgen muss. Beim Kaltstart wird das Gemisch so eingestellt, dass heißes Abgas entsteht um die katalytischen Reaktionen möglichst schnell in Gang zu setzen. Dagegen besteht während langer Vollgasphasen das Problem der Katalysatorüberhitzung. Auf jeden Fall ist die Effizienzsteigerung der Motoren dahingehend eingeschränkt, dass die Abgastemperatur für die katalytische Umsetzung stets in einem relativ engen Fenster gehalten werden muss.
Alternatives Konzept
Abbildung 1: Vergleich aktueller Abgaskatalysatoren mit wärmeintegriertem System
Bereits seit einigen Jahren wird am Institut das Konzept des wärmeintegrierten Reaktors verfolgt [1], [2]. Die Aufgabe des Projektes besteht darin, den bisherigen Abgaskatalysator durch einen Gegenstromwärmetauscher mit integriertem Katalysator zu ersetzen (Abb. 1). Dabei strömt das Motorabgas in das linke Ende des Reaktors ein. Im rechten Teil befindet sich die katalytische Zone, in der die im Abgas enthaltenen brennbaren Komponenten abreagieren. Das Gas wird im Überströmbereich umgelenkt, strömt über benachbarte Kanäle zurück und tritt seitlich aus. Während des Rückströmens gibt das Gas Wärme an den benachbarten Einströmkanal ab. Um den katalytisch aktiven Teil des Reaktors im optimalen Temperaturbereich zu halten, ist am Kopfende eine Kaltstarthilfe vorgesehen. Mit dem Konzept des Gegenstrom-Wärmetauscherreaktors ist es möglich, ca. 80 % der durch Brenner und katalytische Verbrennung freigesetzten Wärme im System zu halten, bzw. auf den eintretenden Gasstrom zu übertragen. Neben der erhöhten thermischen Effizienz des Systems besteht des Weiteren der Vorteil, dass der Reaktor durch die vorgesehene Kaltstarthilfe von der Motorsteuerung weitestgehend entkoppelt werden kann. Außerdem ist eine Überdimensionierung der Reaktionszone nicht mehr erforderlich, da der Katalysator stets in seinem optimalen Betriebsbereich gehalten wird.
NOx–Entfernung unter mageren Bedingungen
Für kleine und mittelgroße Motoren mit bis zu 2 Litern Hubraum ist die SCR – Technologie nicht wirtschaftlich, da sich die erforderlichen Vorrichtungen (z. B. Harnstoff-Einspritzung) im Gegensatz zum NSK-Konzept nur schlecht skalieren lassen. Im Falle des letzteren Konzepts verhält sich das benötigte Reaktorvolumen proportional zum Hubraum des Motors. Allerdings ist aufgrund der hohen Stabilität und niedrigen Reaktivität des Methanmoleküls unklar, ob die Regenerierung des NSK über zyklisches „Anfetten“ des Motorabgases möglich ist. Alternativ denkbar wäre die motorseitige Bereitstellung CO- und wasserstoffreichen Abgases, womit die Regenerierung des NOx-Speichers problemlos durchgeführt werden kann. Im Rahmen des Projektes soll am ICVT durch eine Simulationsstudie abgeklärt werden, inwiefern sich der NSK in den Wärmetauscher-Reaktor integrieren lässt oder ob ein serieller Aufbau (NSK vor Wärmetauscher) sinnvoller ist.
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G. Friedrich, G. Gaiser, G. Eigenberger, F. Opferkuch, G. Kolios
Kompakter Festbettreaktor für katalytische Reaktionen mit integriertem Wärmeaustausch
Europäisches Patent EP 0 885 653 B1, 2003 -
G. Kolios, A. Gritsch, A. Morillo, U. Tuttlies, J. Bernnat, F. Opferkuch, G. Eigenberger
Heat-integrated concepts for catalytic reforming and automotive exhaust purification