Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens auf Basis der Membrantrenntechnik zur gezielten Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung von Dieselmotoren, um die Erf\u00fcllung zuk\u00fcnftiger Abgasemissionsgrenzwerte ohne Abgasnachbehandlung zu gew\u00e4hrleisten.
\nIm 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 bez\u00fcglich Masse, Volumen und Leistungsbedarf f\u00fcr einen Einsatz im Fahrzeug geeignet sind.<\/p>\n
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.
\nDabei wird in der ersten Projektphase, ausgehend von zwei gegebenen Membranmaterialien mit definierter Sauerstoff\/Stickstoff-Selektivit\u00e4t und Sauerstoffpermeabilit\u00e4t, die Auslegung und Optimierung von Modulen zur Sauerstoffanreicherung (Ziel: Sauerstoffgehalt >24 Vol%, fahrzeugeinsatztauglich bez\u00fcglich Masse, Volumen und Leistungsbedarf) sowie die Testung der Module am Motorenpr\u00fcfstand durchgef\u00fchrt.
\nAnschlie\u00dfend soll in analoger Vorgehensweise die Entwicklung und Testung von Membranmodulen zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Abgas erfolgen. In diesem Arbeitspunkt sind die erh\u00f6hten Anforderungen an das Modul aufgrund der realen Abgasbedingungen, z. B. hohe Temperaturen und Abgaszusammensetzung (Gehalt an Partikeln, Wasser, s\u00e4urebildende Komponenten) zu ber\u00fccksichtigen.
\nIm Vorhaben werden die Untersuchungen zur Membranentwicklung, Modulgestaltung und -auslegung am GKSS-Forschungszentrum erfolgen. Die Testung der Module unter realen Bedingungen am Moto-renpr\u00fcfstand wird am Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik der HTW Dresden durchgef\u00fchrt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Untersuchungen der Membranmodule auf dem Motorenpr\u00fcfstand umfassten folgendes Programm:
\na)\tTestung des Sauerstoffanreicherungs-Membranmoduls 1 (O2-MM1) an Motoren vom Typ 1B30V und 1B20 der Fa. Motorenfabrik Hatz
\nb)\tTestung des Sauerstoffanreicherungsmoduls 2 (O2-MM2) am Motor 1B20
\nc)\tUntersuchung mit dem Kohlendioxid-Abtrennungsmodul (CO2-MM) am Motor 1B20
\nd)\tUntersuchungen bei gleichzeitigem Einsatz der Module O2-MM2 und CO2-MM am Versuchstr\u00e4-ger 1B20
\nZu a). Die Erh\u00f6hung 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.-% erh\u00f6ht. Die Partikelemissionen, gemessen an der Schw\u00e4rzungszahl, nehmen um mehr als 80% ab. Die Stickoxidemission erh\u00f6ht sich erwartungsgem\u00e4\u00df um bis zu 280%.
\nZu b). Auf der Basis der ersten Versuche wurde ein zweiter Membranmodul entwickelt, der den Bedingungen des Pr\u00fcfmotors 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 erh\u00f6hten sich bis zu 270%. Die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen reduzierten sich jeweils um ungef\u00e4hr 25%.
\nDie Versuche wurden jeweils mit einer konstanten Membranfl\u00e4che und gleichen Betriebsbedingungen f\u00fcr den Membranmodul durchgef\u00fchrt. Dies f\u00fchrt zu einer Abnahme der O2-Konzentration bei h\u00f6herer Motordrehzahl und des damit verbundenen erh\u00f6hten Verbrennungsluftbedarfs. Aufgrund der begrenzten Versuchszeit konnte nur die Funktion und die Dauerbest\u00e4ndigkeit der Membranmodule getestet werden. Ferner konnte keine Optimierung des Energieverbrauchs f\u00fcr die Sauerstoffanreicherung in Abh\u00e4ngigkeit des Motorbetriebspunktes vorgenommen werden. Der Fl\u00e4chenbedarf und das Gewicht der Membran-module konnte gegen\u00fcber herk\u00f6mmlichen Apparaten wesentlich verringert werden.
\nZu c). Bei diesen Versuchen wurde das Motorabgas \u00fcber einen Partikelfilter und K\u00fchler dem Membranmodul zugef\u00fchrt. 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 Erh\u00f6hung der Partikelemissionen, des Kohlenmonoxidgehalts und der Kohlenwasserstoffemissionen verbunden. Insgesamt haben aber die Versuche nicht die erwartete CO2-Anreicherung gezeigt, die bei der Membranselektivit\u00e4t zu erwarten gewesen w\u00e4re. Die Ursache hierf\u00fcr konnte bei der Auswertung der Versuche nicht gekl\u00e4rt werden. Die Membran zur CO2-Anreicherung hatte bei Labortests im GKSS-Forschungszentrum eine CO2\/N2-Selektivit\u00e4t von ca. 16 bei 20\u00b0C. Die O2\/N2-Selektivit\u00e4t betrug 3. Die Versuche am Motorpr\u00fcfstand zeigten, dass 41 bis 56% des Kohlendioxides aus dem Feed in das Permeat \u00fcbergehen. Aufgrund der Sauerstoffselektivit\u00e4t ergibt sich auch eine Sauerstoffanreicherung im Permeat. Je nach Betriebspunkt wurden zwischen 45 bis zu 76% des Sauerstoffs aus dem Feed in das Permeat \u00fcberf\u00fchrt.
\nZu d). Bei diesen Versuchen wurde der Sauerstoffgehalt in der Zuluft erh\u00f6ht und dem Permeatstrom des CO2-Moduls beigemischt. Bei der Versuchsauswertung zeigte sich, dass die Sauerstoffanreicherung hin-sichtlich Partikel- und Kohlenwasserstoffemissionen zu einer Reduzierung f\u00fchrt, die CO2-Anreicherung nicht ausreicht, um NOx und CO-Emissionsbildung zu unterdr\u00fccken. Im Vergleich zur reinen O2-Anreicherung wurden zwar reduzierte Werte erreicht, jedoch betr\u00e4gt die Erh\u00f6hung der CO-Werte im Ver-gleich zum Betrieb ohne Membranmodul 11 bis 24% und die Erh\u00f6hung der NOx-Werte liegt zwischen 87 und 222%.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Hofmann, U.; Velji, A.: Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung zur Minimierung von Schadstoffemissionen aus Verbrennungsmotoren. Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, Nr. 4.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die experimentellen Untersuchungen auf dem Motorpr\u00fcfstand best\u00e4tigten 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 Gasr\u00fcckf\u00fchrung mit CO2-Anreicherung auch bis zu 40% NOx mit in das Permeat \u00fcberf\u00fchrt werden kann. Die R\u00fcckf\u00fchrung von NOx f\u00fchrt zu einer Reduzierung von NOx im Abgas des Verbrennungsmotors[2].
\nNeben der Verbesserung der Sauerstoffpermeabilit\u00e4t beider Membranen zur O2-Anreicherung muss auch die CO2\/N2-Selektivit\u00e4t im technischen Prozess verbessert werden. Ferner m\u00fcssen der Energieaufwand f\u00fcr den Membrantrennprozess im Verh\u00e4ltnis zur Motorleistung, sowie Gewicht und Platzbedarf f\u00fcr die Membranmodule optimiert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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 Erf\u00fcllung zuk\u00fcnftiger Abgasemissionsgrenzwerte ohne Abgasnachbehandlung zu gew\u00e4hrleisten. Im Vorhaben sollen Membranmodule, mit denen on-board eine Anreicherung der Umgebungsluft mit Sauerstoff und eine Abtrennung von Kohlendioxid aus Abgas erfolgen kann, […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[47,51,70,52,53],"class_list":["post-22497","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-klimaschutz","tag-ressourcenschonung","tag-schleswig-holstein","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"17332\/02","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"17332-02.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"149.500,00","dbu_projektdatenbank_firma":"GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbHInstitut f\u00fcr Chemie, Abt. CGV","dbu_projektdatenbank_strasse":"Max-Planck-Str.","dbu_projektdatenbank_plz_str":"21502","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Geesthacht","dbu_projektdatenbank_p_von":"2002-08-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2003-12-31 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"1 Jahr und 5 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"04152\/87-2400","dbu_projektdatenbank_inet":"www.gkss.de","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Schleswig-Holstein","dbu_projektdatenbank_foerderber":"71","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-17332-02.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/22497","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/22497\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":35500,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/22497\/revisions\/35500"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=22497"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=22497"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=22497"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}