Skriptum Grundlagen Gasmotoren Dr. DI Günther Herdin Koautor: DI Rüdiger Herdin
1. Inhaltsverzeichnis 1. Inhaltsverzeichnis... 2 2. Historischer Rückblick und Allgemeines... 4 3. Kraftstoffe... 5 3.1. Klassifikation der Kohlenwasserstoffe... 6 3.1.1. Alkane (Grenzkohlenwasserstoffe, früher Paraffine)(2): C n H 2n+2... 6 3.1.2. Alkene (früher Olefine)(3): C n H 2n... 7 3.1.3. Cycloalkane (Cyclane, früher: Naphthene, Cycloparaffine)(4): C n H 2n... 7 3.1.4. Aromaten(5):... 8 3.1.5. Alkohole (Alkanole)(6): R-OH (R = Alkyl Rest)... 8 3.2. Methanzahl... 8 3.2.1. Ermittlung der Methanzahl mehrerer Komponenten... 9 3.2.2. Laminare Flammengeschwindigkeit... 10 3.2.3. Wobbeindex... 11 3.3. Klopfverhalten und Magergrenze... 12 4. Gemischbildung... 14 4.1. Allgemeines... 14 4.2. Gasmischertypen... 16 4.3. Gasdruckregel- und Sicherheitseinrichtungen... 22 5. Verbrennungsverfahren... 23 5.1. Zündungskonzepte... 25 6. Ladungswechsel und Aufladung... 30 7. Zündung... 34 7.1. Stand der Technik... 34 7.2. Potenziale und Zukunftsprojekte bei der Zündung... 37 7.2.1. Laserzündung... 37 7.3. Coronazündung... 39
8. Emissionen und Regelungskonzepte... 41 8.1. Emissionen:... 41 8.2. Regelungskonzepte:... 42 8.2.1. Lambda=1:... 42 8.2.2. Magermotor Regelung mit Magersonde... 42 8.2.3. Brennraumtemperaturerfassung (TEM)... 42 8.2.4. Leanox... 43 8.2.5. Ionenstromsensor... 44 8.2.6. Zylinderdruckmessung... 44 9. Abgasnachbehandlung... 45 9.1. 3-Wege Katalysator... 45 9.2. Oxidationskatalysator... 46 9.3. SCR Technologie... 46 9.4. Thermische Nachoxidation... 47 10. Motorbauteile... 48 10.1. Kolbentypen... 48 10.2. Brennraumgeometrie... 50 10.3. Klopfsensor... 52 11. Literaturnachweis... 53 12. Abbildungsverzeichnis... 54 3
efficiency [%] 2. Historischer Rückblick und Allgemeines Die ersten Motoren mit Fremdzündung (Ottomotoren) waren Gasmotoren. Als Kraftstoff wurde ein aus Kohle oder Holz gewonnenes Gas (Generatorgas) eingesetzt. Die erreichten Mitteldrücke und Wirkungsgrade waren im Vergleich zum heutigen Stand der Technik bescheiden. Erst später wurde durch die Motorfahrzeuge auf einen leichter zu speichernden, flüssigen Kraftstoff, der Weg zum "Benzinmotor" gefunden. Der Gasmotoren geriet daher nahezu in Vergessenheit. Erst durch die Potentialausschöpfung der sogenannten Magergemischverbrennung konnte der Gasmotor gegenüber dem Dieselmotor, speziell in der Stromerzeugung, wieder aufholen. In der Abbildung 1 sind dazu die erreichten Wirkungsgrade den Leistungen der einzelnen Techniken gegenübergestellt. Der größte Vorteil des Gasmotors gegenüber dem Dieselmotor ist durch die ausgezeichneten Emissionen gegeben. 70 60 50 40 30 20 gas turbine combined cycle 10 gas engine diesel engine 0 0,1 1 10 100 1000 power [MW] Abbildung 1: Wirkungsgrade verschiedener Konzepte in Abhängigkeit der installierten Leistung(1) Lange Zeit beherrschten auch die Gasturbinen im Leistungssegment von 1-3 MW den Markt für Industrielle Energieerzeugung. Durch den immer wichtiger werdenden Aspekt des Wirkungsgrades, der über den Verbrauch und die Kraftstoffkosten mit den Betriebskosten der Anlage gekoppelt ist, ergaben sich in diesem Leistungssegment schnell klare Vorteile für den Gasmotor, vor allem dann, wenn die elektrische Leistung im Vordergrund stand. 4
3. Kraftstoffe Die allgemeinen Definitionen für die Verbrennungsrechnung gelten wie bei flüssigen Kraftstoffen. Auszug aus der Nomenklatur: H o H u oberer Heizwert [kj/kg] ([kj/m³]) unterer Heizwert [kj/kg] ([kj/m³]) Dichte [kg/m³] L min Min. Luftbedarf zur vollständigen Verbrennung [] v Verbrennungsluftverhältnis [] Für gasförmige Kraftstoffe sind zusätzlich zu beachten: Wobbe Index [J/m³] Dichte des Brenngases [kg/m³] D w Dichte trockener Luft [kg/m³] laminare Flammengeschwindigkeit [m/s] u, o untere, obere Zündgrenze [] MZ Methanzahl [] Ta Selbstentzündungstemperatur [ C] Gemischheizwert [kj/m³] 5
3.1. Klassifikation der Kohlenwasserstoffe Die Kohlenwasserstoffe lassen sich nach der Struktur ihrer Bindung ordnen. 3.1.1. Alkane (Grenzkohlenwasserstoffe, früher Paraffine)(2): C n H 2n+2 Name Formel Kugelstabmodell Methan CH 4 Ethan C 2 H 6 Propan C 3 H 8 n-butan C 4 H 10......... n-oktan C 8 H 18 iso-oktan C 8 H 18 Tabelle 1: Alkane Ab dem Butan muss zusätzlich auf die Art der C-Bindung geachtet werden. Neben den in Reihe angeordneten C-Atomen (Normal-Bindung) kann auch eine Verzweigung (Isomer-Bindung) auftreten. Diese Isomere haben die gleiche molare Masse, aber unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Auf diese Gegebenheiten muss speziell bei der Verwertung von Chemieabfallgasen in Gasmotoren Rücksicht genommen werden. Stellvertretend für die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der n/iso Verbindungen ist in der nachstehenden Tabelle die Situation bei Butan dargestellt. 6
u o Gas in Gas in C 4 H 10 Luft Luft [% Vol. ] [% Vol. ] Molare Siedepunkt Selbstentzündungstemperatur Masse Dichte @101,325 M [kg/m³] kpa [K] [kg/kmol] [K] iso-butan 1,8 8,4 733 58,123 2,689 261,43 n-butan 1,9 8,5 678 58,123 2,701 272,65 Tabelle 2: Unterschiede n/iso-butan 3.1.2. Alkene (früher Olefine)(3): C n H 2n Name Formel Kugelstabmodell Ethen C 2 H 4 Propen C 3 H 6 n-buten (cis/trans/iso) C 4 H 8......... Tabelle 3: Alkene 3.1.3. Cycloalkane (Cyclane, früher: Naphthene, Cycloparaffine)(4): C n H 2n Name Formel Kugelstabmodell Cyklopropan C 3 H 6 Cyklobutan C 4 H 8 Cyklopentan C 5 H 10 Cyklohexan C 6 H 12......... Tabelle 4: Cycloalkane 7
3.1.4. Aromaten(5): Name Formel Kugelstabmodell Benzen C 6 H 6 Toluen C 7 H 8......... Tabelle 5: Aromaten 3.1.5. Alkohole (Alkanole)(6): R-OH (R = Alkyl Rest) Name Formel Kugelstabmodell Methanol CH 3 OH Ethanol (Äthanol) C 2 H 5 OH......... Tabelle 6: Alkohole 3.2. Methanzahl Die Methanzahl (MZ) wird definiert durch das volumetrische Mischungsverhältnis von Methan (MZ = 100) bzw. Wasserstoff (MZ=0) und gibt damit direkt Aufschluss über die Klopffestigkeit des Gases. Eine Zahl nahe 100 bedeutet eine hohe bzw. eine Zahl nahe 0 eine niedrige Klopffestigkeit. Ein Gemisch von 20 % H 2 und 80 % CH 4 hat demnach eine Methanzahl von 80. Sehr wichtig ist, dass diese Definition bei einem Lambda von 1 festgelegt wurde. Die Methanzahl von anderen Gasen wurde durch eine Arbeit von Cartellieri und Pfeifer an einem CFR Einzylindermotor versuchstechnisch erfasst. (7) Die nachstehende Tabelle zeigt die Methanzahlen, das L min und den H u der wichtigsten Gase. 8
Brennstoff Bezeichnung MZ L min [Nm³L/Nm³] H u [kwh/nm³] H 2 Wasserstoff 0 2,379 2,996 CH 4 Methan 100 9,537 9,971 C 2 H 4 Ethylen 15 14,39 16,521 C 2 H 6 Ethan 43,7 16,85 17,89 C 3 H 8 Propan 33 24,24 26,00 C 4 H 10 Butan 10 32,26 34,34 CO Kohlenmonoxid 75 2,381 3,51 Tabelle 7: Methanzahlen wichtiger Gase 3.2.1. Ermittlung der Methanzahl mehrerer Komponenten Bei Gasgemischen von jeweils 3 Komponenten kann die Methanzahl durch sogenannte Dreiecksdiagramme bestimmt werden. Das Lesen der Diagramme ist in Abbildung 2 dargestellt. Punkt P repräsentiert das Gemisch der prozentuellen Anteile a, b, c der Komponenten A, B, C Zweidimensionales Diagramm welches alle Gemische mit derselben Klopfgrenze auf der eingezeichneten Linie zeigt Dreidimensionales Diagramm: Die Klopfgrenze jedes Gemisches wird auf der vertikalen Achse dargestellt Abbildung 2: Aufbau eines Dreiecksdiagrammes 9
Die Abbildung 3 zeigt das Dreiecksdiagramm möglicher Zusammensetzungen von Klärgas. methan number lines test conditions: n=900 rpm, Ignition= 15 BTDC, =1 CFR / RDH engine knocking resistance: KI=50 const, L WOT Abbildung 3: Dreiecksdiagramm von Methan, CO 2 und N 2 Seit der Verfügbarkeit des Computers werden am Markt Berechnungsprogramme verschiedener Softwarehersteller angeboten. In Europa wird hauptsächlich das von der AVL entwickelte Programm eingesetzt. Sehr wichtig bei der Anwendung in Zusammenhang mit H 2 ist, dass je nach dem Gehalt an Wasserstoff der Betriebspunkt zur "mageren" Seite verschoben werden kann und damit eine klopffreie Verbrennung stattfindet. Die Rechnung bezieht sich wie oben angeführt auf Lambda 1 und gibt somit ein nicht korrektes Klopfverhalten an. 3.2.2. Laminare Flammengeschwindigkeit Die laminare Flammengeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich die Flamme bei laminaren Strömungsverhältnissen ausbreitet. Im Bereich der stöchiometrischen Verhältnisse ist die laminare Flammengeschwindigkeit am größten, mit zunehmendem Abmagern des Gemisches wird die laminare Flammengeschwindigkeit zunehmend langsamer. Ebenso ist dieser Effekt auch bei dem Anfetten des Gemisches festzustellen. Die verschiedenen Brenngase haben ein unterschiedliches Verhalten (siehe Abbildung 4). 10
laminar flame speed [cm/s] 120 100 coke gas 80 pyrolysis gas 60 40 bio gas 20 natural gas wood gas 0 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 AF-ratio Λ Abbildung 4: Einfluss des Lambdas auf die laminare Flammengeschwindigkeit verschiedener Gase 3.2.3. Wobbeindex Der Wobbeindex ist der Quotient aus dem Brennwert oder Heizwert und der Quadratwurzel der relativen Dichte. Die relative Dichte ist der Quotient aus der Dichte des Brenngases und der Dichte trockener Luft unter gleichen Druck- und Temperaturbedingungen. Formel für den oberen Wobbeindex: Formel für den unteren Wobbeindex: Die Einheit des Wobbeindex ist J/m³ oder kwh/m³, analog der Einheit des Heiz- bzw. Brennwertes. 11
Stoff W s [MJ/m³] W i [MJ/m³] Wasserstoff, H 2 48,34 40,90 Methan, CH 4 53,45 48,17 Propan, C 3 H 8 81,18 74,74 Verbund Erdgas Nord 51,55 46,54 Russisches Erdgas 53,21 47,97 Biogas (65 Vol% CH 4 ) 28,44 Tabelle 8: Wobbeindex verschiedener Brenngase Der Wobbeindex wird benötigt, um die Austauschbarkeit von Brenngasen zu beurteilen. Brenngase mit gleichem Wobbeindex ergeben bei gleichem Düsendruck die gleiche Wärmebelastung im Brenner. Die Brennerdüse muss in diesem Fall nicht ausgetauscht werden. Wenn zum Beispiel Erdgas durch ein Propan/Luft-Gemisch ersetzt werden soll, reicht es nicht aus, eine Mischung mit gleichem Heizwert zu erzeugen. Da dieses Gemisch eine andere Dichte hätte, würde durch den Brenner eine andere Menge strömen und sich dadurch ein anderer Energieumsatz ergeben. Durch das Einbeziehen der Dichte ergibt sich jedoch genau der Volumenstrom, der nötig ist um die gleiche Energiemenge durchzusetzen. Wichtig für die Anwendung bei Gasmotoren ist, dass der Wobbeindex in diesem Anwendungsbereich nicht relevant ist. Dieser hat seine wesentliche Anwendung bei ungeregelten und fix eingestellten Brennern. 3.3. Klopfverhalten und Magergrenze Im Bereich der stöchiometrischen Verbrennungsführung wird die Leistung durch Klopfgrenzen beschränkt. Die maximal mögliche Leistung ist je nach dem verwendeten Kraftstoff (Methanzahl) unterschiedlich. Bei sehr mageren Bedingungen wird das Fenster für die möglichen Mitteldrücke zu höheren Werten verschoben. Es stellt sich dann auch die Magergrenze ein, diese Grenze wird durch das nicht mehr zündbare Brennstoff/Luftgemisch (zu großer Luftüberschuss) bestimmt. Die Abbildung 5 zeigt diese Effekte. 12
Abbildung 5: Klopfgrenze und Magergrenze (Quelle: Wärtsilä) 13
4. Gemischbildung 4.1. Allgemeines Wie gemäß Tabelle 8 auf Seite 12 leicht nachvollzogen werden kann, ist die korrekte Einstellung des erforderlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses bei den Gasmotoren wesentlich schwieriger als bei den Motoren mit flüssigen Kraftstoffen (Heizwertunterschied ca. 5%). Die verschiedenen Heizwerte stellen vor allem beim "Zweigasbetrieb" hohe Anforderungen an die Gemischbildungseinheit. Den höchsten Heizwert (H u ) der in Gasmotoren genutzten Brennstoffe hat Butan mit 34,3 kwh/nm 3, als niedrigstes Einzelgas wird Wasserstoff mit 2,99 kwh/ Nm 3 verwendet. Das sind Heizwertunterschiede bei Einzelkomponenten von mehr als Faktor 11. Eine weitere Verschärfung ist durch die Nutzung von Gasgemischen mit Inertgasen, wie CO 2 und N 2 gegeben. Die "schwächsten" von Gasmotoren verwertbaren Gasgemische haben bei ausreichendem H 2 Anteil Heizwerte um 0,5 kwh/ Nm 3, d.h. der Unterschied "Schwach- zu Starkgas" kann bis zu 1:60 betragen. Diese großen Unterschiede müssen noch mit den physikalischen Eigenschaften der Brennstoffe gepaart werden. Bei stöchiometrischer Verbrennung wird der Mindestluftbedarf bei vollständiger Verbrennung angegeben (Abbildung 6). 35 [m³ air/m³ gas] 30 25 20 24,2 32,2 15 10 5 2,37 4,77 9,35 0 H 2 landfill gas CH 4 C 3 H 8 C 4 H 10 (50% CH 4 ) Abbildung 6: Luftbedarf zur stöchiometrischen Verbrennung verschiedener Gase 14
Die Unterschiede zum Heizwert ergeben sich aus den differierenden C- und H 2 Anteilen. Ein weiteres Kriterium der Brenngase ist durch die Zündgrenzen (Abbildung 7) gegeben. Die Zündgrenzen geben an, innerhalb welcher unter- bzw. überstöchiometrischen Luftverhältnisse eine Zündung erfolgen kann. Wasserstoff hat die weitesten Zündgrenzen. Methan hat einen relativ kleinen Zündbereich. Für die Entflammungsbedingungen im Brennraum ist es daher wesentlich, die Gemischbildungsvorgänge genau zu verstehen und damit entsprechende Maßnahmen setzen zu können. Wird Wasserstoff als Brennstoff benutzt, sind die Anforderungen an die gemischbildende Einheit vergleichsweise bescheiden. 10 AF-ratio [] 9,83 1 1,95 0,59 2,94 2,04 0,33 0,14 0,14 0,1 H 2 CH 4 CO C 3 H 8 Abbildung 7: Zündgrenzen verschiedener Gase Bei Erdgas sind die Anforderungen an die Homogenität vor allem beim extremen Magerbetrieb sehr hoch. Die gemischbildende Einheit kann bei den Gasmotoren vor oder nach dem Verdichter der Aufladegruppe angeordnet sein. Die Anordnung auf der Saugseite (Abbildung 8) hat den Vorteil, dass nur ein sehr kleiner Druck anstehen muss, wie es z.b. bei Klär- oder Deponiegas (30-100 mbar) der Fall ist. 15
Abbildung 8: Gasmischer vor dem Verdichter (Saugseite) Abbildung 9: Gasmischer nach dem Verdichter (Druckseite) Ein weiterer Nutzen entsteht durch die Homogenisierung des Gemisches im Verdichter, so dass bei V-Motoren jede Reihe ein exakt gleiches Lambda erhält. Wird der Gasmischer auf der Druckseite (p 2 ) angeordnet (Abbildung 9), ist ein entsprechend höherer Gasvordruck notwendig, der fallweise über einen eigenen Gasverdichter erzeugt werden muss, außerdem ist die Gefahr eines durchschlagenden fetten Strömungsfadens immer gegeben und es ist dann zweckmäßig, dem Gasmischer eine homogenisierende Einheit nachzuschalten. 4.2. Gasmischertypen Bei Motoren mit geringen Emissionsanforderungen wird häufig der variable restriction Gasmischer (Impco) verwendet. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 10 dargestellt. Die Besonderheit dieses Typs ist das "gas metering valve", dessen äußere Form einen massenstromabhängigen Lambdaverlauf relativ einfach erreichen lässt. Wird eine andere Charakteristik gewünscht, so wird die Form des gas metering valves dem erforderlichen Lambdabedarf angepasst. Eine weitere 16
Eingriffsmöglichkeit ist durch die Festlegung der in der Vakuumkammer befindlichen Feder gegeben. Dieser Gasmischertyp kann auf der Saugseite oder der Druckseite eingesetzt werden. Als wesentlicher Vorteil dieses Typs ist die einfache Mechanik zu nennen, da kein elektronisches Stellglied vorhanden ist. Der Nachteil ist jedoch eine entsprechend der Geometrie fixierte Einstellung und damit ein bestimmtes Lambda während des Einstellvorganges. Für Anforderungen, die nicht der TA-Luft entsprechen, wie z.b. US-2g NO x /hph reicht dieses einfache Konzept aus. Mit diesem Konzept ist kein Regeleingriff zur Kompensation variabler Heizwerte bzw. sich verändernden Umgebungsbedingungen (Ansaugtemperatur und Luftdruck) möglich. Abbildung 10: variable restriction carburator (IMPCO) Für moderne Gasmotoren mit hohen Mitteldrücken ist bei diesem Gasmischertyp der Trade-Off von Massendurchsatz und Widerstand am ungünstigsten. Ein weiteres, weit verbreitetes Gasmischkonzept, stellt der Venturimischer (Abbildung 11) dar. Das notwendige Lambda wird dabei durch Anpassung des Gasvordruckes an die Eintrittsquerschnitte eingestellt. Der Regelungseingriff erfolgt über ein Drosselorgan (main adjustment screw) in der Gaszuführung. Von den verschiedenen Herstellern werden die unterschiedlichsten Möglichkeiten der Gaszuführung zum Düsenquerschnitt angeboten, am häufigsten erfolgt die Gaszuführung über einen außen liegenden Verteilerring. Der Vorteil dieses 17
Mischertyps liegt in den relativ einfach zu optimierenden Druckverlusten, so dass dieser Mischertyp auch für hohe Mitteldrücke eingesetzt werden kann. Abbildung 11: Venturi Mischer Das dritte verbreitete Grundkonzept ist der Orifice -Mischer, wo das Lambda über das Flächenverhältnis Luft zu Gasquerschnitt eingestellt wird (Abbildung 12). Die Grundidee ist bereits relativ alt (1925) und wurde von der Ruhrgas Mitte der 80er Jahre aufgegriffen und auf den heutigen Stand gebracht (Markenname: HOMIX) Abbildung 12: orifice carburetor (HOMIX) Für Magermotoren hat dieses Konzept den Vorteil, dass mit relativ geringem Aufwand das Flächenverhältnis Luft/Gas im Betrieb nachgestellt werden kann. Dieser Gasmischertyp erfordert immer einen Druckregler (Nulldruckregler), der die 18
Druckverhältnisse in der Gaszuführung dem Druck im Saugrohr vor dem Verdichter anpasst. Als neueste Entwicklung bei den Gasmischern ist das TecJet System zu nennen. Die Funktionsweise ist in Abbildung 13 (TecJet erste Generation) gezeigt. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass große Heizwertunterschiede und diverse Regeleingriffe in sehr kurzer Zeit (100 ms) ausgeregelt werden können. Das Konzept mit dem axial verschiebbaren Stellkolben wurde bei der Überarbeitung gegen eine sehr fein verstellbare Drosselklappe ersetzt (Abbildung 14). Abbildung 13: Gasregeleinrichtung TecJet Abbildung 14: Neue Generation der Woodward TecJet Lösung 19
Bei großen Gasmotoren gibt es auch die Möglichkeit die Gemischbildung unmittelbar vor dem Einlassventil (port injection) durchzuführen. Ab Zylinderhubräumen größer als 10 l wird dieses Konzept mit der Kombination einer gespülten Vorkammer bei mehreren Gasmotorherstellern eingesetzt (Abbildung 15). Das Einblaseventil kann mechanisch über den Ventiltrieb betätigt (gas admission valve) oder elektrisch gesteuert werden. Die Homogenität des Gas/Luftgemisches entspricht jedoch nicht der für die optimale Verbrennung gewünschten Qualität. exhaust valve inlet valve gas injection valve Abbildung 15: Anordnung des Gaseinblaseventils vor dem Einlassventil Die Abbildung 16 zeigt moderne Einblaseventile für das Saugrohr der Fa. Woodward. Ein weiterer Anbieter dieser Technologie ist die Firma Heinzmann (Megasol), der Einblasevorgang erfolgt durch die elektronische Ansteuerung eines Plattenventiles während des Ansaugtaktes. Dieser Vorgang ist in Abbildung 17 im Fall einer Sogav Anwendung gezeigt. 20
Abbildung 16: Gaseinblaseventile (Woodward Sogav 43) Abbildung 17: Taktung Einblasevorgang Mit Hilfe der Vorkammerzündung wird dieser Mangel teilweise ausgeglichen. Für hohe Emissionsanforderungen erzwingt dieses Konzept eine Einzelzylinderregelung. Toleranzen der betroffenen Bauteile (Durchflussbeiwerte, Geometrien usw.) beeinflussen das Lambda und zur Gleichstellung ist ein vom Lambda abhängiges Signal (z.b. Brennraumtemperatur, Ionenstrom oder anderes) erforderlich. Dieses Konzept ist technisch zwar sehr elegant, jedoch kostenintensiv bzw. hat auch durch die große Teileanzahl ein hohes Ausfallrisiko. Neben dem Nachteil der auftretenden Inhomogenitäten benötigen alle auf der Druckseite gaszuführenden Verfahren einen ausreichenden Versorgungsdruck von 3 bis 6 bar, der speziell bei Biogasanlagen nicht vorhanden ist. 21
4.3. Gasdruckregel- und Sicherheitseinrichtungen Um das in den Gasnetzen vorhandene Druckniveau an die bei dem Gasmotor verwendete Gemischbildung anzupassen ist eine sogenannte Gasregelstrecke erforderlich. Der grundsätzliche Aufbau, ist in Abbildung 18 gezeigt. Neben der Funktion der Druckanpassung sind in die Gasregelstrecke auch die vorgeschriebenen Sicherheitsfunktionen integriert. Abbildung 18: Typische Gasregelstrecke für Gasmotoren 22
5. Verbrennungsverfahren Wie in Abbildung 19 gezeigt, hat das Luftverhältnis auf die NO X Entstehung einen signifikanten Einfluss. Um den heutigen Anforderungen der TA-Luft zu entsprechen, können verschiedene Wege eingeschlagen werden. Weiters sind in Abbildung 19 die möglichen Konzeptgrenzen eingetragen. Der kleinste sinnvolle NO x Wert bei der Anwendung der Magerverbrennung liegt bei 250 mg NO x /Nm 3. Werte darunter können zwar kurzzeitig gefahren werden, sind jedoch in Serie derzeit nicht darstellbar. Der "Schwellwert" von 250 mg NO x /Nm 3 gilt auch für Biogase, wobei in diesem Fall auf eine hohe Konstanz des CH 4 Anteiles geachtet werden muss. Kann der CH 4 Wert aus prozesstechnischen Gründen nicht konstant gehalten werden (z.b. bei Deponiegas ohne Zwischenpuffer), so liegt der mögliche Grenzwert bei ca. 350 400 mg NO x /Nm 3 (z.b. Grenzwert der Schweiz). Werte unter 250 mg NO x /Nm 3 können praktisch nur mit dem Lambda=1-Konzept oder mit der Anwendung der SCR-Technik (selektive katalytische Reduktion) eingehalten werden. Abbildung 19: NO X -Verlauf über Lambda und Konzeptgrenzen der NO X - Minderungsverfahren Für mit Schadstoffen (Cl, F, Si, H 2 S u.a.) beladene Biogase bleibt nur die Möglichkeit Magermotoren einzusetzen, da die genannten Elemente Katalysatorgifte darstellen und den Katalysator kurzfristig außer Funktion setzen. Die Anforderungen an den 23
Gasmischer und die Meßsignale sind speziell bei stöchiometrischen Verbrennungsverfahren sehr groß. Im Falle der Lambda=1-Technik ist es für den 3- Wege Katalysator erforderlich, das Verbrennungsluftverhältnis im sogenannten Lambda-Fenster von 0,980 0,991 konstant zu halten. Bei einer allfälligen Kombination der Magertechnologie mit SCR ist bei gleichen Emissionen der Regelungsbereich auch bei den sogenannten "open loop"-steuerungen um etwa den Faktor 15 günstiger. Für die Einhaltung des Lambdafensters ist unbedingt eine "closed loop"-regelung mit einem Lambda-Sensor im Abgastrakt erforderlich. Neben dem konventionellen Lambda=1-Konzept ist auch eine Variante mit Abgasrückführung und Aufladung möglich. Dieses Konzept hat mehrere Vorteile. So wird einerseits durch die Abgasrückführung die Rohemission von NO X auf ungefähr die Hälfte reduziert bzw. andererseits die Bauteilbelastung wesentlich abgesenkt, so dass über die Aufladung die Mitteldrücke angehoben werden können. Die Problemkreise der Lambda=1-Technik bestehen in den hohen Anforderungen an den 3-Wege-Katalysator, an die Zünd- und Gemischregeleinrichtung sowie an die Reife des Triebwerkes (Ölverbrauch). Der Katalysator muss die NO x -Emissionen zu 99% umsetzen, um die Limits einzuhalten. Wurde z.b. durch den Ölverbrauch und den daraus entstehenden Ölaschen die Wirksamkeit des Katalysators reduziert oder ist durch einen Wartungsmangel an den Zündkerzen (Zündspulen) eine thermische Schädigung der Katalysatoroberfläche eingetreten, so tritt in Folge ein Vielfaches der NO x -Emission der Magermotoren auf. Bei Lambda=1-Motoren sind daher die Service- und Wartungskosten entsprechend höher anzusetzen. Im Wesentlichen konnten sich die Magermotoren speziell wegen der spezifischen Kosten und des besseren Wirkungsgrades weltweit gegenüber den Lambda=1 Motoren durchsetzen. Die Abbildung 20 zeigt dazu den Vergleich der verschiedenen Wirkungsgrade. 24
Abbildung 20: Wirkungsgradvergleich der verschiedenen Verbrennungskonzepte 5.1. Zündungskonzepte Bei den fremdgezündeten Gasottomotoren werden zwei grundsätzlich verschiedene Zündungskonzepte unterschieden. Bei den schnelllaufenden Motoren (n=1500 min -1 ) bis ca. 170 mm Bohrungsdurchmesser wird, bis auf wenige Ausnahmen, die in Abbildung 21 (links) dargestellte Direktzündung verwendet. Im Wesentlichen entspricht dieses Konzept auch den bei PKW-Otto-Motoren eingesetzten Zündungskonzepten. Bei kleinerer Drehzahl (n=800-1200 min -1 ) und fetterer Verbrennung (auch Lamda=1) ist die Flammengeschwindigkeit im Brennraum groß genug, um auch dieses Konzept bis zu einem Bohrungsdurchmesser von 250 mm einzusetzen. Für Magermotoren mit Bohrungsdurchmesser von 200 mm und größer sind zur Einhaltung der geforderten NO x -Werte der TA-Luft, sogenannte Vorkammerzündungskonzepte notwendig. In Abbildung 21 (rechts) ist dieses Konzept schematisch dargestellt. Es wird hier der Brennraum in zwei Kammern unterteilt und zwar a) Hauptbrennraum b) Vorkammer 25
Die Aufteilung der Vorkammer ist im Gegensatz zu den PKW-Vorkammer- Dieselmotoren stark asymmetrisch (Hauptbrennraum größer als 95% des Gesamtbrennvolumens). Weiters wird das Konzept der gespülten von der ungespülten Vorkammer unterschieden. Abbildung 21: Verbrennungsverfahren Direktzündung/Vorkammerzündung Die gespülte Vorkammer wird mit einer eigenen Gaszuführleitung, die im Allgemeinen die Vorkammer über ein selbsttätiges Schnüffelventil anfettet, versorgt. Um die Zündung des Gemisches in der Vorkammer sicherzustellen, sollte das Lambda der Vorkammer im Lambda=1 nahen Bereich sein. Das Luftverhältnis des Hauptbrennraumes muss im Vergleich zu dem direktgezündeten Konzept wesentlich magerer sein, um gleiche NO X -Werte zu erreichen. Bei der ungespülten Vorkammer wird die Zündkerze von einer Kammer umgeben, die mit relativ kleinen Schusskanälen (Übertrittsbohrungen) mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Bei gleichen NO X -Emissionen ist das Lambda etwa um 0,2 fetter als beim vorher genannten Konzept. Dieselzündstrahl /Diesel-Gasmotor Neben den über Zündkerzen (fremd) gezündeten Motoren kann die Zündung auch über einen Dieselkraftstoffstrahl eingeleitet werden. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass bei Ausfall des Gases der Motor auch als Dieselmotor (vor allem für Notstromanwendungen wichtig) betrieben werden kann. Der Motor wird als Dieselmotor gestartet, um dann in Folge dem Luftstrom Gas als primären 26
Energieträger zuzumischen. Die Zündstrahlmenge beträgt bei Volllast ca. 5% bis 10% (energetisch). Das Haupteinsatzgebiet dieses Motorentyps ist da, wo große Gasmengen mit geringen Heizwerten und schwerer Entflammbarkeit vorhanden sind. Als Beispiel sind hier Gase mit hohen Inertgasanteilen zu nennen. Diesel- Gasmotoren können die NO X -Grenzwerte nur mit SCR erreichen, da minimal NO X - Rohemissionen von 1500 bis 2000 mg NO X /Nm 3 erreicht werden können. Ein weiterer Nachteil ist durch die dem Dieselmotor ähnlichen Partikelemissionen gegeben. Der konventionelle Diesel-Gasmotor (Zündstrahlmotor) ist von den neuen Konzepten mit Pilotzündstrahl (0,5 bis 1% Diesel) zu unterscheiden. Die Abbildung 22 zeigt hierzu das AVL Glowplug Konzept wie es z.b. bei der Mitsubishi Mach 30 Serie eingesetzt wird. Abbildung 22: AVL Glow Plug Mikropilot Konzept Abbildung 23 zeigt das HJ Schnell -Konzept, bei dem mit elektronischer Einspritztechnik der Zeitpunkt und die Zündstrahlmenge angepasst werden kann. 27
Abbildung 23: HJ Schnell Zündstrahl Motor MAN B&W PGI Ein neu auf dem Gasmotorenmarkt angebotenes Konzept (Abbildung 24) basiert auf der Zündungseinleitung des Gas/Luftgemisches in der Vorkammer mit Hilfe eines Hotspots. Als Hotspot wird dabei ein Glühstift wie bei dem AVL Glow Plug eingesetzt. An Stelle des Dieselkraftstoffes wir aber ein kleiner Teil (1 bis 3 %) des primär im Hauptbrennraum verwendeten Gases verwendet. Kurz vor dem gewünschten Zündbeginn wird über das Gaseinblaseventil in der Vorkammer der kleine Teilstrom an Gas mit Drücken im Bereich von 230 bar eingeblasen. Durch die Anfettung entzündet sich dann das Gas/Luftgemisch in der Vorkammer und der Hauptbrennraum wird danach über die sich ausbildenden Fackeln entzündet. Während des Startvorganges bzw. im Teillastbereich wird der Glühstift eingeschaltet, wenn das System im Hochlastbereich arbeitet ist die Oberfläche des Glühstiftes ausreichend heiß um auch den folgenden Arbeitstakt zu zünden. Der wesentliche Vorteil des PGI Konzeptes ist, dass das für den Hochlastbereich kritische Element der Zündkerze entfällt. Zusätzlich werden durch die konzeptionell bedingte sehr magere Betriebsweise die NO X Emissionen sehr niedrig gehalten und Werte unter 250 mg/nm³@ 5% O 2 sind gut darstellbar. 28
Abbildung 24: MAN B&W PGI 29
6. Ladungswechsel und Aufladung Bei den Motoren wird grundsätzlich zwischen Saugmotoren (NA) und den aufgeladenen Motoren (TC) unterschieden. Saugmotoren wurden in der Zwischenzeit von den aufgeladenen Motoren nahezu vollständig verdrängt. Der Grund hierzu ist in den niedrigeren spezifischen Kosten bzw. im höheren Wirkungsgrad der TC Motoren begründet. In Abbildung 25 ist eine Gegenüberstellung betreffend des Wirkungsgrades eines praktisch leistungsgleichen Saugmotors mit einem gering aufgeladenen bzw. mit einem hoch aufgeladenen TC Motor gezeigt. Zwischen dem Saugmotor und dem hoch aufgeladenen Gasmotor beträgt der Unterschied 3 %. Die Hubräume der Motoren betragen 35,9 l, 24 l sowie 16 l. 0.4 efficiency J 208 GS C 01 (displ. = 16l) 500 mg NOx/Nm³ 0.35 0.3 lean engine (displ. = 20l) 500 mg NOx/Nm³ stoichiometric engine (displ. = 30l) 0.25 40 60 80 100 load [%] Abbildung 25: Vergleich des Wirkungsgrades von verschiedenen Konzepten Die Aufladung ermöglicht neben der größeren Leistungsdichte auch noch zusätzliche Potenziale den Wirkungsgrad zu steigern. Bei kleinen Turboladern haben sich primär die Radialturbine/Radialverdichter (automotive Standard) durchgesetzt. Bei größeren Gasmotoren (<5MW) sind meist die Kombinationen von Axialturbine/Radialverdichter vorherrschend. Die Motoren mit Leistungen zwischen 0,5 und 4 MW nutzen meist high-tech Turbolader der Radialtypen mit bestmöglichen Wirkungsgraden. Zur Erreichung von guten Motorwirkungsgraden ist seitens der Aufladegruppe auf eine optimale Kombination von Turbine und Verdichter zu achten. Das Arbeitsvermögen 30
der Turbine soll bestmöglich mit dem Bedarf des Verdichters übereinstimmen. Um gute Wirkungsgrade der Aufladegruppe zu erreichen ist weiter die Lage der Schlucklinie in dem Bereich der Wirkungsgradoptima des Verdichterkennfeldes zu legen. Die Abbildung 26 zeigt als Beispiel ein Verdichterkennfeld mit eingezeichneter Schlucklinie. Das Druckverhältnis (p2/p0) bzw. der Volumsstrom (v ) sind die wesentlichen Parameter. Gut zu sehen ist der Verlauf der Schlucklinie nahe dem Zentrum im Bereich der höchsten Verdichterwirkungsgrade. Die linke Begrenzung des Kennfeldes wird als Pumpgrenze (surging line) bezeichnet. Der Kennfeldbereich links dieser Linie ist nicht fahrbar, da die Strömung am Laufrad abreißt und das in der Branche bekannte Verdichterpumen auftritt. 5 comp. pressure ratio 4 [1/sec]1066 960 3 850 2 746 533 640 1 2 3 intake volume flow [m 3 /s] Abbildung 26: Kennfeld eines Verdichters (ABB TPS 57) Die Lage der Schlucklinie im Verdichterkennfeld hängt bei gleicher Motoreinstellung auch von den Umgebungsbedingungen (Temperatur und Druck) ab und kann sich dadurch auch verschieben. Im reellen Betrieb können daher Unterschiede zur theoretischen Auslegung auftreten, die sich dann auch im Wirkungsgrad des Motors erkennen lassen. Kritisch kann eine zu kalte Ansaugluft werden (hohe Masse), die Lage der Schlucklinie verschiebt sich dann in Richtung der Pumpgrenze. Bei größeren Seehöhen bzw. geringen Luftdichten verschiebt sich die Schlucklinie nach oben und das Laufzeug des Turboladers kann in den Bereich der Überdrehzahl 31
gelangen. Dabei ist Vorsicht geboten, da sich die Verdichterschaufeln durch Überlastung auflösen können. Für den Versuchsingenieur kann eine Turboladerauslegung betreffend der Qualität in einem Volllastpunkt mit einem Blick beurteilt werden. Es ist dabei das so genannte Spülluftgefälle die Kenngröße die entsprechend aussagefähig ist. In Abbildung 27 ist der Vergleich eines typischen Automotiveturboladers mit einem high-tech Turbolader (ABB RR Serie) gezeigt. Der qualitativ hochwertige Turbolader bringt in weiten Bereichen ein positives Spülluftgefälle, d.h. der Ladedruck ist immer größer als der Gegendruck vor der Turbine. Im gezeigten Anwendungsfall hat der automotive Turbolader einen Wirkungsgradnachteil von ca. 3 % Punkten zur Folge (Volllastpunkt). Abbildung 27: Spülluftgefälle verschiedener Turbolader Bei Gasmotoren ist im Vergleich zu Dieselmotoren die Ventilüberschneidung relativ klein. Diese ist erforderlich um das Durchspülen vom Frischgasgemisch zu vermeiden und den Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen möglichst zu minimieren. Bei Gasmotoren mit zentraler Gemischbildung (vor dem Turbolader) wird die Ventilüberschneidung auf unter 20 KW ausgelegt, bei Motoren mit port injection kann die Ventilüberschneidung durch ein spätes Starten des Einblasevorganges auch größer sein. 32
Steuerzeiten nach Miller Bei modernen Gasmotoren wird der Ladungswechsel nicht nach der maximal möglichen Zylinderfüllung optimiert, sondern auch auf die Bedingungen des Kraftstoffes (Klopfneigung) Rücksicht genommen. Das wird erreicht indem das Einlassventil deutlich vor (EIC early inlet valve closing) oder weit nach dem unteren Totpunkt (LIC late inlet valve closing) geschlossen wird. Damit kommt es zum Effekt der inneren Ladungskühlung und bei der Einleitung der Zündung ist das Temperaturniveau im Brennraum geringer und die Klopfneigung nimmt ab (Abbildung 28). Durch diesen Lösungsansatz können thermodynamisch günstigere (höhere) Verdichtungsverhältnisse dargestellt werden. Abbildung 28: Steuerzeiten nach Miller/Atkinson 33
7. Zündung 7.1. Stand der Technik Im Allgemeinen erfolgt die Zündung des Gas/Luftgemisches wie bei den PKW Ottomotoren mit Hilfe einer Zündkerze. Bis Anfang der Neunzigerjahre wurde ein mechanischer, von der Nockenwelle getriebener Zündgenerator verwendet (z.b. Altronic). Mit dieser Technologie sind erforderliche Eingriffe in die Anpassung des Zündzeitpunktes (wegen klopfender Verbrennung) praktisch nicht möglich. Neue Gasmotoren haben nahezu zu 100% eine elektronische Zündung (Kondensatorzündung). Es wird dabei ein Kondensator aufgeladen und zum gewünschten Zeitpunkt mit Hilfe eines Thyristors entladen. Der Entladungsvorgang erfolgt über die Primärwicklung (wenig Windungen) der Zündspule mit niedriger Spannung, jedoch hohem Strom. An der Sekundärseite der Spule (hohe Windungszahl) wird eine hohe Spannung bei niedrigem Strom induziert, die dann in Folge zum Zündfunken an der Zündkerze führt. Wichtig ist die Unterscheidung der zur Funkenbildung erforderlichen Spannung (Zündspannungsbedarf) bzw. der maximal möglichen Zündspannung (Zündspannungsangebot). Prinzipiell soll die Zündspannung zur Minderung des Verschleißes der Elektroden so niedrig wie erforderlich eingestellt werden. Die Höhe der Zündspannung ergibt sich primär aus dem Spaltmaß von Mittel- und Massenelektrode bzw. der während des Funkens vorherrschenden Dichte im Brennraum. Abbildung 29 zeigt dazu die Zusammenhänge des Zündspannungsbedarfes über dem Mitteldruck bei TA-Luft Anforderungen (500 mgnox/nm³). Zusätzlich ist der Verlauf bei ½ TA-Luft (höhere Ladungsdichte magere Verbrennung) in Abbildung 29 eingezeichnet. 34
30 25 spark voltage [kv] 250 mg NO x /Nm 3 20 15 500 mg NO x /Nm 3 10 5 0 1 2 3 BMEP [MPa] Abbildung 29: Abhängigkeit des Zündspannungsbedarfes von dem Mitteldruck bzw. vom NO X Niveau Um die für Stationärmotoren erforderliche Lebensdauer der hoch belasteten Zündkerzen zu erreichen, werden von einigen Zündkerzenherstellern mit Edelmetallen armierte Elektroden angeboten. Als im Markt gängige Typen sind z.b. die Champion RB 77 WPC bzw. Denso 3-1 bekannt. Einige Motorhersteller wie z.b. GE Jenbacher setzen auf Eigenentwicklungen. Als typische Edelmetalle an den Elektroden werden Pt, Ir und Rh verwendet. Die Abbildung 30 zeigt so genannte Schirmkerzen (links) bzw. auch Standard G Type Zündkerzen (rechts). Abbildung 30: Fotos Zündkerzen (links - Schirmkerzen für hoch turbulente Verbrennungsführung/rechts - Standardtypen) 35
Multitorch Ein im Gasmotorenmarkt zunehmend erfolgreiches Konzept bietet die Fa. Multitorch (Sinnheim) an. Es handelt sich hier um eine Zündkerze mit Vorkammer [7] (Abbildung 31, Abbildung 32), wobei die Mittelelektrode [6] aus Edelmetall und relativ dünn mit der Ausnutzung des Spitzeneffektes ausgebildet ist. Dadurch wird die Zündspannung abgesenkt und die Lebensdauer der Zündkerze verbessert. Durch die sich im Hauptbrennraum ausbildenden Fackeln [8] können relativ magere Gemische sicher und schnell entzündet werden. Für die Wirkungsgradverbesserung ist die Multitorch-Zündkerze eine effektive Maßnahme, da sonst betreffend der Verbrennungsausauslegung (z.b. größere Ladungsbewegung) keine weiteren Maßnahmen getroffen werden müssen. Als Einschränkung eines Einsatzes ist aber der Einbauwinkel (max. Abweichung von der Senkrechten von 10 ) zu berücksichtigen, da sonst eine der Fackeln auf ein Segments des Muldenrandes brennt und dort Überhitzungen mit folgender Selbstentzündung (pre- oder autoignition) entsteht. Die Folge ist dann ein Totalausfall der Zylindereinheit bzw. des ganzen Motors. Abbildung 31: Multitorch Schnitt Abbildung 32: Multitorch Detail 36
7.2. Potenziale und Zukunftsprojekte bei der Zündung 7.2.1. Laserzündung Die Erzeugung des Zündplasmas über einen fokussierten Laserstrahl ist eine Möglichkeit die das Hauptproblem des Anstieges des Zündspannungsbedarfes entfallen lässt. In Abbildung 33 ist der Verlauf der minimal erforderlichen Zündenergie gezeigt. Für Gasmotoren bedeutet diese Charakteristik, dass höhere Drücke im Brennraum zu einem kleineren Energiebedarf führen. Damit können thermodynamisch günstigere Verdichtungsverhältnisse auch bei hohen Mitteldrücken gewählt werden. Durch moderne Lasersysteme auf Basis von Diodenlasern kann auch eine kostenoptimale Darstellung erwartet werden. Veröffentlichte Konzeptbilder der AVL bzw. von GE Jenbacher sind in Abbildung 34 gezeigt. Abbildung 33: Zündenergiebedarf bei der Laserzündung 37
Abbildung 34: Technologieansätze zur Darstellung der Laserzündung Grundsätzlich wird bei der Laserzündung der Funke durch eine Fokussierung des gepulsten Laserstrahles erzeugt. Die Leistungen im Zentrum des Plasmablitzes sind dabei im 2-stelligen MW Bereich. Abbildung 35 zeigt hierzu den gemessenen Verlauf über dem Querschnitt. Im Fall der Messungen von GE Jenbacher betragen die Leistungen zwischen 16 und 20 MW. Die zeitliche Dauer sollte deutlich weniger als 5 ns betragen, um kostengünstig dargestellt zu werden. Abbildung 35: Leistungsverlauf im Fokus des Laserpulses 38
Einer der wesentlichen Vorteile der Laserzündung ist eine sehr magere Betriebsweise des Gasmotors. Im Fall von direkter Entzündung des Gasgemisches (kleinere Zylinderbohrungen unter 160 mm) kann das Lambda um ca. 0,3 Einheiten (bei Betrieb mit Erdgas) zur mageren Betriebsweise verschoben werden. Für die NO X Emissionen bedeutet das eine Absenkung von minimal 80 ppm auf weniger als 30 ppm. Bei der Ausnützung der minimal möglichen NO X Emissionen müssen aber Maßnahmen getroffen werden die Verbrennung zu beschleunigen. Wird keine Maßnahme (Turbulenzgraderhöhung) durchgeführt gibt es wegen der sehr langsamen Verbrennung Wirkungsgradeinbußen. Durch die sehr magere Betriebsweise wird auch die Klopfgrenze später erreicht, d.h. mit der Laserzündung sind auch sehr hohe Mitteldrücke (über 28 bar) darstellbar. Diese Ergebnisse wurden auch im parallel zu den GE Jenbacher Forschungen durchgeführten Untersuchungen des US-ALIS Programmes bestätigt (Abbildung 36). Abbildung 36: Erweiterung der Zündgrenzen bei Laserzündung (US ALIS Programm) 7.3. Coronazündung Eine neue (alte) Möglichkeit eröffnet sich bei dem heutigen Technologiemöglichkeiten durch die kalte Coronazündung. Im für Gasmotoren unteren Mitteldruckbereich kann etwa das gleiche Lambda wie bei der Laserzündung gefahren werden. D.h. minimale NO X Emissionen im Bereich von 20 ppm sind gut darstellbar. Das Problem dieses Konzeptes ist aber bei hohen Mitteldrücken (hohe Dichte im Brennraum) ein elektrisches. Mit zunehmender Dichte bildet sich die 39
Corona erst bei hohen Spannungen aus (über 75 kv). Zusätzlich ist der energetische Aufwand mit etwa dem 10 bis 30 fachen gegenüber konventionellen CDI (capacitor discharge ignition) beachtlich. Eine CDI oder eventuell eine HF Hochleistungszündung benötigt einen energetischen Einsatz von 160 bis 500 mj. Optisch betrachtet ist der Effekt der Coronazündung allenfalls sehenswert siehe Abbildung 37. Abbildung 37: Sich ausbildende Corona im Fall ECCOS 40
8. Emissionen und Regelungskonzepte 8.1. Emissionen: In Europa orientieren sich die Emissionslimits im Wesentlichen an der deutschen TA- Luft. Die Emissionslimits regulieren neben den NO X, CO und den NMHC (nicht Methan-Kohlenwasserstoffe), auch die Partikelemissionen und die C-Verbindungen, geordnet nach C1, C2, C3,... sowie auch z.b. Dioxine und Furane. Als Besonderheit ist zu erwähnen, dass die Grenzwerte nicht wie bei den Motorherstellern üblich auf die spezifische Arbeit des Motors bezogen werden (z.b. gno X /kwh) sondern auf den Volumendurchsatz in g/nm³ bei einem definierten O 2 Gehalt von 5% im Abgas. Dieses Regulativ kommt von den Emissionen der Feuerungsanlagen und der Wirkungsgrad bei der Stromproduktion geht nicht ein. Es gibt jedoch einzelne Länder wie z.b. Dänemark, die den Wirkungsgrad in ihre Limits eingebaut haben. Derzeit gelten folgende, für Motoren wichtige Limits (nicht vollständig): Emissionskomponente NOx CO NMHC Partikel Formaldehyd Dioxine Tabelle 9: Grenzwerte TA-Luft Limit 500 mg/nm³ 650 mg/nm³ 150 mg/nm³ 20 mg/nm³ 60 mg/nm³ 10 ng/nm³ Im Vergleich zu den Dieselmotoren haben die Gasmotoren speziell bei den NO X - Emissionen durch die mögliche magere Verbrennung entsprechende Vorteile. Während bei den spezifischen NO X -Emissionen des Dieselmotors nach EURO 3 mit 5g/kWh bereits sehr viele Detailoptimierungen durchgeführt werden müssen, hat der Gasmotor im Erdgasbetrieb mit 0,7g/kWh je nach Verbrennungskonzept größeres Potential. Speziell bei Kraftstoffen mit höheren Anteilen an H 2 ist die Abmagerbarkeit auf 0,1 mgno X /Nm³ möglich. Gleiche Werte sind ebenso mit Lambda = 1 Motoren kurzfristig darstellbar, wobei bereits im Kapitel 3 auf die Probleme dieses Konzeptes eingegangen wurde. 41
8.2. Regelungskonzepte: 8.2.1. Lambda=1: Wie bei den Fahrzeugottomotoren ist es auch bei den Gasmotoren möglich, das Gas/Luftgemisch stöchiometrisch einzustellen. Die Regelung erfolgt in gleicher Weise mit Hilfe einer Lambda-Sonde im Abgasstrom. Um dem 3-Wege-Katalysator die Möglichkeit der Reduktion der NO X -Emissionen zu geben, muss die Verbrennung leicht unterstöchiometrisch bei ca. 0,997 erfolgen. Der einzustellende Arbeitsbereich des Kraftstoff/Luftverhältnisses wird als Lambdafenster bezeichnet. Die Grenzen des Fensters werden durch den Anstieg der CO bzw. der NO X -Emissionen vorgegeben. Im Laufe der Betriebsdauer wird dieser Regelbereich durch Alterungserscheinungen des Katalysators immer kleiner. Aus thermischen Gründen werden die Lambda=1- Motoren meist als Saugmotoren ausgeführt (p e = ca. 8 bar), als spezielle Bauart ist die Version mit Abgasrückführung und Aufladung zu nennen. Mit der Abgasrückführung werden die Bauteiltemperaturen und die Rohemissionen an NO X gesenkt. 8.2.2. Magermotor Regelung mit Magersonde In ähnlicher Weise wie bei den Lambda=1-Motoren ist eine Verwendung eines speziellen Typs einer Lambdasonde, die bei einem Wert von oberhalb 1,6 ein auswertbares Signal liefert, möglich. Für Stationärmotoren, die Betriebsdauern von 8.000 Bh per anno haben, ist dieses Konzept relativ kostspielig, da die Lebensdauer der Sonde beschränkt ist und speziell bei Biogasanwendungen diverse Schadstoffe (Cl, Si u.a.) die Funktion der Lambdasonde in kurzer Zeit negativ beeinflussen. 8.2.3. Brennraumtemperaturerfassung (TEM) Von der Firma MWM wird ein Konzept eingesetzt, mit dem auf Basis einer Messung einer repräsentativen Temperatur Brennraumvolumenelementes (siehe Abbildung 38) auf das Lambda rückgeschlossen werden kann. Es handelt sich dabei keineswegs um die tatsächlich in dem Volumenelement vorherrschende Temperatur sondern um einen sich aus dem Arbeitsspiel ergebenden Mittelwert. Es wird der sich (z.b. bei Volllast) der ergebende Mittelwert der einzelnen Zylinder einer gemessenen NO X -Emission zugeordnet und im Magermotorregler (TEM) abgespeichert. Bei gleichen gemessenen Mitteltemperaturen wird davon ausgegangen, dass die gleichen NO X -Emissionen von dem Motor emittiert werden. Als nachteilig ist eine 42
über der Laufzeit ansteigende NO X -Emission zu nennen, da die Temperaturmessung durch Ablagerungen an Ölaschen oder mit dem Kraftstoff mitgeführten Elementen (z.b. Si) beeinträchtigt wird. Dieser Effekt beruht auf der Isolationswirkung des Belages am Temperaturmesselement, da eine niedrigere Brennraumtemperatur vorgetäuscht wird und der Regler auf diesen Vorgang durch das Anfetten des Gemisches reagiert. Als vorteilhaft ist zu nennen, dass bei sehr klopfnahem Betrieb (guter Wärmeübergang zur Brennraumsonde) der Motorregler von sich aus in Richtung mager verstellt und den Motor damit automatisch schont. Abbildung 38: Temperaturmessung beim TEM-Konzept (Deutz) 8.2.4. Leanox Das von der Fa. GE Jenbacher verwendete und patentierte Konzept beruht auf den physikalischen Größen Druck und Temperatur nach der Drosselklappe. Die beiden Größen entsprechen bei einer vorgegebenen Motoreinstellung einer energetischen Energiezufuhr zum Motor. Über die mit Hilfe eines NO X -Messgerätes einzumessenden LEANOX Gerade wird diese Energiezufuhr mit der gewonnenen Leistung des Motors korreliert. Es ergibt sich dann ein eindeutiger physikalischer Zusammenhang zwischen dem Lambda und der NO X -Emission. Der Vorteil dieses Konzeptes ist die Unempfindlichkeit gegenüber Ablagerungen und diversen Veränderungen über der Laufzeit des Motors. Sinkt z.b. der Heizwert des Gases ab, 43
so bemerkt der Regler ein Abmagern Abweichung von der LEANOX Geraden und es wird das Signal "Anfetten" ausgegeben. 8.2.5. Ionenstromsensor Die zeitlich aufgelöste Erfassung zwischen dem Durchbruch des Funkens und dem Signal des Ionenstroms an einer in einem bestimmten Abstand befindlichen Ionenstromsonde kann ebenfalls als NO X relevantes Signal ausgewertet werden. Das Grundprinzip beruht auf der Erfassung der Geschwindigkeit der Flammenfront von der Zündkerze zu einer in büchsenbundnähe angeordneten Ionenstromsonde. Die Geschwindigkeit der Flamme wird bei der Einmessung einer NO X -Emission zugeordnet. Bei sehr magerer Verbrennungsführung ist das von der Ionenstromsonde relativ unscharf, sodass die NO X -Regelung an Präzision verliert. Bei dem Stand der Technik kann dieses Konzept bis zu ca. einem Lambda von 1,4 eingesetzt werden (dies reicht aber zur Eihaltung der TA-Luft nicht aus). 8.2.6. Zylinderdruckmessung Eine sehr elegante Möglichkeit ist durch die zylinderselektive Druckmessung und der danach durchzuführende thermodynamische Auswertung gegeben. Dieser Weg hat den Vorteil, dass alle relevanten Kenngrößen (p i, Zündzeitpunkt, Zylinderdruckmaxima, Brenndauer u.a.) sowie auch Klopferscheinungen für die Regelung und Überwachung verwendet werden können. Bei großen Schiffsdieselmotoren wird dieses (derzeit noch sehr kostspielige) Konzept bereits eingesetzt, neue Sensoren und moderne Rechner lassen die Umsetzung dieser Technologie auch im Gasmotorenbereich möglich erscheinen. 44
9. Abgasnachbehandlung Wie bekannt verursacht die Verbrennung (Oxidation) neben Energie auch Abfallprodukte. Unter diesen finden sich neben unschädlichen (inerten) Produkten auch schädliche bzw. sogar toxische. Dass die Verbrennung kein einfacher Vorgang ist, zeigt die Abbildung 39. Dieses Schema ist jedoch stark vereinfacht, denn es sind laut heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen mehr als 100 Teilreaktionen bekannt. Abbildung 39: Mögliche Reaktionspfade der Methanverbrennung (stark vereinfacht) (Quelle: J. Warnatz (Ber. Bundsenges. Phys. Chem. 87, 1008 (1983)) 9.1. 3-Wege Katalysator Die Technologie des 3-Wegekatalysators wurde bereits im Kapitel 5 (Seite 23) erklärt. Es werden über Oxidation und Reduktion schädliche Komponenten aus dem Abgas entfernt. 2 CO + O 2 2 CO 2 2 C 2 H 6 + 7 O 2 4 CO 2 + 6 H 2 O 2 NO + 2 CO N 2 + 2 CO 2 Die Bedeutung dieser Technik geht für die Gasmotoren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit stark zurück. 45
9.2. Oxidationskatalysator Gemäß den Limits der TA-Luft müssen die CO Emissionen der Gasmotoren auf unter 650 mg/nm³ gebracht werden. Die Rohemission von wirkungsgradoptimierten Gasmotoren liegt gemäß dem Stand der Technik bei ca. 800 bis 1100 mg CO. Primär wird das CO durch nicht vollständige Reaktionen bei der Verbrennung verursacht. Im Fall des Formaldehyds liegt ein Zwischenprodukt bei der Oxidation des Methans vor. Beide Emissionskomponenten sowie auch höhere Kohlenwasserstoffe können bei ausreichender Dimensionierung (Raumgeschwindigkeit und Edelmetallgehalt) des Oxidationskatalysators stark reduziert werden. 9.3. SCR Technologie Die Technologie der selektiven NO X Reduktion (Abbildung 40) kommt aus dem Kraftwerksbereich und diese hält zunehmend auch bei den kleineren Einheiten (Gasmotorenanlagen im MW Bereich) bzw. auch bei den Nutzfahrzeugen (adblue (VDA)) Einzug. Aus Gründen der Toxizität des Ammoniaks bzw. der leichten Brennbarkeit wird bei den kleineren Einheiten praktisch durchgehend Harnstoff in wässriger Lösung als Reduktand eingesetzt. Bei der thermischen Pyrolyse im SCR (selective NO X Reduction) Abgasstrom entstehen dann wieder das NH 3 bzw. auch andere Reagenzien. exhaust clean gas (NH 2 ) 2 CO+H 2 O urea injection SCR-/DENOX catalyst oxy - catalyst Abbildung 40: Schema SCR Katalysator 06. August 2007 Es gibt bei dem Einsatz der SCR Technologie zwei verschiedene Regel/Steuerkonzepte, diese sind: 46 a. Open Loop (ohne aktive NO X Messung) mit der Eindüsung von Reduktionsmittelmengen, die gemäß den Erfordernissen aus einem Kennfeld
rückgerechnet wurden. Mit diesem Konzept sind 1/5 des TA-Luft Grenzwertes an NO X erreichbar. b. Closed Loop Konzept mit on line NO X Messung und exakter Nachjustierung der für minimale NO X Emissionen erforderlichen Mengen. Diese Technik wird z.b. bei Glashausanwendungen eingesetzt. Minimale NO X Werte von 5 ppm sind hier möglich. 9.4. Thermische Nachoxidation Im Fall von Gasen (z.b. Deponiegas) die Katalysatorgifte enthalten ist die Verwendung von Oxidationskatalysatoren nicht möglich, da diese die Wirkung in kurzer Zeit außer Kraft setzen. Für diese Anwendungen ist bei optimierten Gasmotoren eine thermische Nachoxidation zur Reduktion der teil- bzw. unverbrannten Komponenten erforderlich. Da sich je nach Verbrennungskonzept ausreichend O 2 im Abgasstrom befindet, muss das Abgas auf die erforderliche Oxidationstemperatur (> 760 C) gebracht werden. Um den energetischen Aufwand zu reduzieren sind rekuperative oder regenerative Wärmetauscher einsetzbar. Bei den Deponiegasanwendungen hat sich derzeit das System CL.AIR von Jenbacher durchgesetzt (Abbildung 41). Abbildung 41: Schema Cl.Air System (GE Jenbacher) 47
10. Motorbauteile 10.1. Kolbentypen Bei der Motorbaugruppe gibt es drei verschiedene ausgeführte Kolbenkonzepte die abhängig vom Hubraum pro Zylinder eine bestimmte spezifische Leistung ermöglichen. Abbildung 42 zeigt den Stand der Technik (Kolbenschmidt). Auch bei den von Mahle gelieferten Kolben sind die gleichen spezifischen Belastungen erlaubt. Die Erfahrung lehrt (z.b. GE Jenbacher/MWM) dass für lange Lebensdauern ab ca. 16 kw/l ein Kühlkanalkolben eingesetzt werden sollte. Das ist im speziellen bei hohen Verdichtungsverhältnissen zur Erreichung von guten Wirkungsgraden bzw. schneller Verbrennung wichtig. Außerdem ist auf die Pressungen in der Kolbenbolzennabe zu achten. Bei alten Kolbendesigns ist der Kolbenbolzen meist zu schwach (zu kleiner Durchmesser), hier hilft eine in den Kolben eingesetzte Bronzebüchse. Die Kolbenausführung in Abbildung 43 (Kühlkanalkolben) zeigt eine Verstärkung durch die erwähnte Büchse. Bei richtiger Dimensionierung beugt diese Büchse dann Spaltbrüchen vor. Abbildung 42: Anwendungsgrenzen von Kolbenbauarten (Quelle: Kolbenschmidt) 48