THC-Emissionen von Gasmotoren

Aufgrund ihrer hohen Effizienz und ihrer niedrigen NOx- und Rußemissionen werden Gasmotoren in der dezentralen Energieversorgung häufig eingesetzt. Allerdings emittieren sie teilweise hohe Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (THC – Total Hydro Carbon). Das Projekt hat sich daher zum Ziel gesetzt, innermotorische Maßnahmen zur optimierten Verbrennung und damit zur Minimierung der THC-Emissionen zu identifizieren. Anhand eines Einzylinder-Forschungsmotors und eines optischen Motors erfolgten umfassende experimentelle Untersuchungen. Sie dienten dazu, das neuentwickelte Simulationsmodell zu verifizieren, mit dem sich die THC-Bildung zuverlässig vorausberechnen lässt. Die Höhe der THC-Emissionen hängt vor allem vom Verbrennungsluftverhältnis ab. Mit einer optimalen Abstimmung aller relevanten Parameter lassen sich diese Emissionen drastisch reduzieren und der Wirkungsgrad weiter steigern. Die daraus resultierenden höheren NOx-Werte müssten jedoch durch eine effektive Abgasnachbehandlung kompensiert werden.

» Die Projektergebnisse versetzen uns die Lage, neue Strategien zur Emissionsminimierung zu entwickeln und dabei das Gesamtsystem wirkungsvoll zu optimieren. «
Dr. Ulf Waldenmaier (MAN Diesel & Turbo SE)

Bildquelle: Caterpillar Energy Solutions

Gasmotoren spielen in der dezentralen Energieversorgung eine wichtige Rolle.

Bildquelle: MAN Diesel & Turbo SE

Übersicht über den Modellierungsansatz zur Berechnung der THC-Emissionen

Bildquelle: FVV | LVK | ITV

THC-Bewertungsmatrix

Bildquelle: FVV | LVK | ITV

Motivation

Für die dezentrale Energieversorgung spielen effiziente Gasmotoren eine große Rolle. Im Vergleich zu anderen thermischen Erzeugungstechnologien punkten sie mit geringeren CO2- sowie Ruß- und NOx-Emissionen. Nachteilig sind jedoch die teilweise hohen Anteile an THC im Abgas der Gasmotoren. Um bereits die Entstehung dieser Treibhausgase zu minimieren, bieten sich innermotorische Maßnahmen zur Verbrennungsoptimierung an. Die Analyse dieser Maßnahmen stand im Fokus des Projekts.

Methodik

Mithilfe eines Einzylinder-Forschungsmotors wurden die Einflüsse verschiedener Verbrennungsparameter experimentell untersucht. Die theoretischen Arbeiten zielten darauf ab, die Entstehung der THC-Emissionen zu modellieren. Das Modell basiert auf einem hybriden Ansatz, der sowohl reaktionskinetische Vorgänge als auch die Strömung und die Verbrennung berücksichtigt. Zum Abgleich des Verbrennungsmodells diente ein optischer Motor, an dem die Flammenausbreitung bei verschiedenen Zündsystemen und Steuerzeiten überprüft wurde. Auf Basis der praktischen und simulativen Ergebnisse entstand eine Bewertungsmatrix, mit deren Hilfe sich die Wirksamkeit der THC-Reduktionsmöglichkeiten beurteilen lässt.

Ergebnis

Das neuentwickelte Simulationsmodell hat sich als Werkzeug für Motoroptimierungen qualifiziert, da es die experimentellen Werte mit zufriedenstellender Genauigkeit vorausberechnen kann. Es hat sich gezeigt, dass das Verbrennungsluftverhältnis den größten Einfluss auf die Bildung von THC-Emissionen hat. Weitere wichtige Einflussfaktoren sind die Wandtemperatur, das Feuerstegvolumen, die Steuerzeiten, das Zündsystem und die Gemischbildung. Eine optimale Abstimmung dieser Parameter führt zu deutlich reduzierten THC-Emissionen. Die Projektergebnisse legen darüber hinaus die Überlegung nahe, zukünftige Abgasnachbehandlungskonzepte neu zu denken. Läge der Fokus der innermotorischen Emissionsminimierung auf THC, hätte dies höhere Motorwirkungsgrade, aber auch höhere NOx-Werte nach der Verbrennung zur Folge. Die NOx-Reduktion müsste sich in diesem Fall vollständig auf die Nachbehandlung mit Katalysatoren konzentrieren.