Projekt 17332/02

Entwicklung und Untersuchung eines Verfahrens zur gezielten Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung zwecks Reduzierung der Abgasemissionen von Dieselmotoren

Projektdurchführung

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbHInstitut für Chemie, Abt. CGV
Max-Planck-Str.
21502 Geesthacht

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens auf Basis der Membrantrenntechnik zur gezielten Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung von Dieselmotoren, um die Erfüllung zukünftiger Abgasemissionsgrenzwerte ohne Abgasnachbehandlung zu gewährleisten.
Im Vorhaben sollen Membranmodule, mit denen on-board eine Anreicherung der Umgebungsluft mit Sauerstoff und eine Abtrennung von Kohlendioxid aus Abgas erfolgen kann, entwickelt und getestet werden. An die Membranmodule wird die Forderung gestellt, dass sie bezüglich Masse, Volumen und Leistungsbedarf für einen Einsatz im Fahrzeug geeignet sind.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie praktischen Untersuchungen zur Membranmodulentwicklung gliedern sich in die Schwerpunkte Anreicherung der Ansaugluft mit Sauerstoff und Abtrennung von Kohlendioxid aus Abgas.
Dabei wird in der ersten Projektphase, ausgehend von zwei gegebenen Membranmaterialien mit definierter Sauerstoff/Stickstoff-Selektivität und Sauerstoffpermeabilität, die Auslegung und Optimierung von Modulen zur Sauerstoffanreicherung (Ziel: Sauerstoffgehalt >24 Vol%, fahrzeugeinsatztauglich bezüglich Masse, Volumen und Leistungsbedarf) sowie die Testung der Module am Motorenprüfstand durchgeführt.
Anschließend soll in analoger Vorgehensweise die Entwicklung und Testung von Membranmodulen zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Abgas erfolgen. In diesem Arbeitspunkt sind die erhöhten Anforderungen an das Modul aufgrund der realen Abgasbedingungen, z. B. hohe Temperaturen und Abgaszusammensetzung (Gehalt an Partikeln, Wasser, säurebildende Komponenten) zu berücksichtigen.
Im Vorhaben werden die Untersuchungen zur Membranentwicklung, Modulgestaltung und -auslegung am GKSS-Forschungszentrum erfolgen. Die Testung der Module unter realen Bedingungen am Moto-renprüfstand wird am Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik der HTW Dresden durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Untersuchungen der Membranmodule auf dem Motorenprüfstand umfassten folgendes Programm:
a) Testung des Sauerstoffanreicherungs-Membranmoduls 1 (O2-MM1) an Motoren vom Typ 1B30V und 1B20 der Fa. Motorenfabrik Hatz
b) Testung des Sauerstoffanreicherungsmoduls 2 (O2-MM2) am Motor 1B20
c) Untersuchung mit dem Kohlendioxid-Abtrennungsmodul (CO2-MM) am Motor 1B20
d) Untersuchungen bei gleichzeitigem Einsatz der Module O2-MM2 und CO2-MM am Versuchsträ-ger 1B20
Zu a). Die Erhöhung des Sauerstoffgehalts in der Verbrennungsluft hat einen direkten Einfluss auf die Emission von Partikeln und Stickoxiden. Ohne Membranmodul betrug der Sauerstoffgehalt in der Verbrennungsluft 20,4 Vol.-%. Durch Zuschaltung eines Membranmoduls wurde der Sauerstoffgehalt auf 24,8 Vol.-% erhöht. Die Partikelemissionen, gemessen an der Schwärzungszahl, nehmen um mehr als 80% ab. Die Stickoxidemission erhöht sich erwartungsgemäß um bis zu 280%.
Zu b). Auf der Basis der ersten Versuche wurde ein zweiter Membranmodul entwickelt, der den Bedingungen des Prüfmotors 1B20 angepasst war. Durch die Zuschaltung des Moduls wurde ein Sauerstoffgehalt von 27 Vol.-% in der Verbrennungsluft erreicht. Je nach Motorbetriebspunkt reduzierte sich die Partikelemission um 50 bis 70%. Die NOx-Emissionen erhöhten sich bis zu 270%. Die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen reduzierten sich jeweils um ungefähr 25%.
Die Versuche wurden jeweils mit einer konstanten Membranfläche und gleichen Betriebsbedingungen für den Membranmodul durchgeführt. Dies führt zu einer Abnahme der O2-Konzentration bei höherer Motordrehzahl und des damit verbundenen erhöhten Verbrennungsluftbedarfs. Aufgrund der begrenzten Versuchszeit konnte nur die Funktion und die Dauerbeständigkeit der Membranmodule getestet werden. Ferner konnte keine Optimierung des Energieverbrauchs für die Sauerstoffanreicherung in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes vorgenommen werden. Der Flächenbedarf und das Gewicht der Membran-module konnte gegenüber herkömmlichen Apparaten wesentlich verringert werden.
Zu c). Bei diesen Versuchen wurde das Motorabgas über einen Partikelfilter und Kühler dem Membranmodul zugeführt. Das um CO2 und O2 angereicherte Permeat wird nach der Vakuumpumpe mit Frischluft vermischt. Je nach Betriebspunkt werden bei dieser Fahrweise die Stickoxidemissionen zwischen 43 und 78% reduziert. Aufgrund des niedrigen Saustoffgehalts war aber damit eine Erhöhung der Partikelemissionen, des Kohlenmonoxidgehalts und der Kohlenwasserstoffemissionen verbunden. Insgesamt haben aber die Versuche nicht die erwartete CO2-Anreicherung gezeigt, die bei der Membranselektivität zu erwarten gewesen wäre. Die Ursache hierfür konnte bei der Auswertung der Versuche nicht geklärt werden. Die Membran zur CO2-Anreicherung hatte bei Labortests im GKSS-Forschungszentrum eine CO2/N2-Selektivität von ca. 16 bei 20°C. Die O2/N2-Selektivität betrug 3. Die Versuche am Motorprüfstand zeigten, dass 41 bis 56% des Kohlendioxides aus dem Feed in das Permeat übergehen. Aufgrund der Sauerstoffselektivität ergibt sich auch eine Sauerstoffanreicherung im Permeat. Je nach Betriebspunkt wurden zwischen 45 bis zu 76% des Sauerstoffs aus dem Feed in das Permeat überführt.
Zu d). Bei diesen Versuchen wurde der Sauerstoffgehalt in der Zuluft erhöht und dem Permeatstrom des CO2-Moduls beigemischt. Bei der Versuchsauswertung zeigte sich, dass die Sauerstoffanreicherung hin-sichtlich Partikel- und Kohlenwasserstoffemissionen zu einer Reduzierung führt, die CO2-Anreicherung nicht ausreicht, um NOx und CO-Emissionsbildung zu unterdrücken. Im Vergleich zur reinen O2-Anreicherung wurden zwar reduzierte Werte erreicht, jedoch beträgt die Erhöhung der CO-Werte im Ver-gleich zum Betrieb ohne Membranmodul 11 bis 24% und die Erhöhung der NOx-Werte liegt zwischen 87 und 222%.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Hofmann, U.; Velji, A.: Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung zur Minimierung von Schadstoffemissionen aus Verbrennungsmotoren. Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, Nr. 4.


Fazit

Die experimentellen Untersuchungen auf dem Motorprüfstand bestätigten die prinzipielle Eignung der verwendeten Membranmodule zur Realisierung einer Verbrennungsluftzusammensetzung, mit der Schadstoffemissionen von Dieselmotoren, insbesondere von Partikeln, Stickoxiden und Kohlenwasser-stoffe, reduziert werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Gasrückführung mit CO2-Anreicherung auch bis zu 40% NOx mit in das Permeat überführt werden kann. Die Rückführung von NOx führt zu einer Reduzierung von NOx im Abgas des Verbrennungsmotors[2].
Neben der Verbesserung der Sauerstoffpermeabilität beider Membranen zur O2-Anreicherung muss auch die CO2/N2-Selektivität im technischen Prozess verbessert werden. Ferner müssen der Energieaufwand für den Membrantrennprozess im Verhältnis zur Motorleistung, sowie Gewicht und Platzbedarf für die Membranmodule optimiert werden.