This work is devoted to generate knowledge and high quality experimental data of catalytic combustion at operational gas turbine conditions. The initial task of the thesis work was to design and construct a high pressure combustion test facility, where the catalytic combustion experiments can be performed at real gas turbine conditions. With this in mind, a highly advanced combustion test facility has been designed, constructed and tested. This test facility is capable of simulating combustion conditions relevant to a wide range of operating gas turbine conditions and different kinds of fuel gases. The shape of the combustor (test section) is similar to a “can” type gas turbine combustor, but with significant differences in its type of operation. The test combustor is expected to operate at near adiabatic combustion conditions and there will be no additions of cooling, dilution or secondary supply of air into the combustion process. The geometry of the combustor consists of three main zones such as air/fuel mixing zone, catalytic reaction zone and downstream gas phase reaction zone with no difference of the mass flow at inlet and exit. The maximum capacity of the test facility is 100 kW (fuel power) and the maximum air flow rate is 100g/s. The significant features of the test facility are counted as its operational pressure range (1 – 35 atm), air inlet temperatures (100 – 650 °C), fuel flexibility (LHV 4 - 40 MJ/m3) and air humidity (0 – 30% kg/kg of air). Given these features, combustion could be performed at any desired pressure up to 35 bars while controlling other parameters independently. Fuel flexibility of the applications was also taken into consideration in the design phase and proper measures have been taken in order to utilize two types of targeted fuels, methane and gasified biomass. Experimental results presented in this thesis are the operational performances of highly active precious metal catalysts (also called as ignition catalysts) and combinations of precious metal, perovskites and hexaaluminate catalysts (also called as fully catalytic configuration). Experiments were performed on different catalytic combustor configurations of various types of catalysts with methane and simulated gasified biomass over the full range of pressure. The types of catalysts considered on the combustor configurations are palladium on alumina (Pd/AL2O3), palladium lanthanum hexaaluminate (PdLaAl11O19), platinum on alumina (Pt/AL2O3),and palladium:platinum bi-metal on alumina (Pd:Pt/AL2O3). The influence of pressure, inlet temperature, flow velocity and air fuel ratio on the ignition, combustion stability and emission generation on the catalytic system were investigated and presented. Combustion catalysts were developed and provided mainly by the project partner, the Division of Chemical Technology, KTH. Division of Chemical Reaction Technology, KTH and Istituto di Ricerche sulla Combustione (CNR) Italy were also collaborated with some of the experimental investigations by providing specific types of catalysts developed by them for the specific conditions of gas turbine requirements. / <p>QC 20131125</p>

Es werden Möglichkeiten untersucht, das Kaltstart- und Warmlaufverhalten von Ottomotoren mit Sekundärlufteinblasung zu optimieren. Das für die Untersuchungen eingesetzte, innovative Sekundärlufteinblasesystem mittels Sekundärluftlader weist aufgrund der Baugröße, des Gewichts, der Leistungsfähigkeit und insbesondere der einfachen, thermodynamischen Betätigung Potenziale auf, die bisher eingesetzte Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Den experimentellen Untersuchungen wurde die Entwicklung der Abgasgesetzgebung sowie eine theoretische Betrachtung der Entstehungsmechanismen von Abgasemissionen vorangestellt. Mittels eines Simulationsmodells werden die Abhängigkeiten des Sekundärluftladers von den motorischen Randbedingungen abgebildet. Somit kann eine Vorauswahl für das Luftmassenförderverhalten des Sekundärluftladers bei unterschiedlichen Einsatzbereichen getroffen werden. Die im Start- und Warmlauf, ebenso im Lastwechsel, gemessenen Ergebnisse wurden zur Analyse der Emissionsverbesserungsmechanismen eingesetzt. Insbesondere der Einblasezeitpunkt der Sekundärluft und das Hochlaufverhalten des Sekundärluftsystems zeigen einen enormen Einfluss auf die Höhe der Rohemissionen. Eine Gegenüberstellung aller gemessenen Varianten mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftlader zeigt einen deutlichen Emissionsvorteil des Sekundärluftladersystems. Zusätzlich bewirkt der Sekundärluftlader, durch die Bordnetzentlastung eine Motorlastabsenkung bei verbessertem Ansprechverhalten und höherem Sekundärluftmassenstrom. Ergebnis ist eine Verringerung der HC-Rohemissionen zwischen 20% und 30%. Die Vorteile im Gewicht und Bauvolumen sowie der geringere Verkabelungsaufwand runden die deutlichen Vorteile des Sekundärluftladers gegenüber der Sekundärluftpumpe ab. Durchgeführte Untersuchungen bei Tieftemperatur (-7°C) und unter Höhenbedingungen haben ebenfalls Vorteile gegenüber der Sekundärluftpumpe ausgewiesen. Die theoretische Abschätzung des Einsatzfeldes für den Sekundärluftlader ist ab einem Hubraum von 1,2°l Hubraum durchgeführt und als positiv bewertet worden. / The paper investigates possible ways of optimizing the cold-start and warm-up performance of gasoline engines with secondary air injection. Due to its size, weight, performance capability, and especially its simple, thermodynamic operation the innovative secondary air injection system used for the investigations and featuring a secondary air charger has the potential to replace the secondary air pump used to date. The experimental investigations are preceded by the development of exhaust emission legislation and a theoretical analysis of the process leading to exhaust emissions. A simulation model is used to illustrate the dependencies of the secondary air charger on boundary engine conditions. Consequently it is possible to make a preselection for the air mass conducting properties of the secondary air charger in various fields of application. The results obtained by measurement in starting, warm-up, and in load changes, were used to analyze the emission improvement processes. The level of raw emissions is affected enormously by the time of injection of secondary air and the acceleration performance of the secondary air system. A comparison of all the measured variants with the secondary air pump and secondary air charger indicates that the secondary air charger system has a distinct emission advantage. In addition, by relieving the vehicle power supply the secondary air charger brings about a reduction in engine load, improved response, and higher secondary air mass flow. The result is a 20% to 30% reduction in raw HC emissions. The significant advantages over the secondary air pump are rounded off by benefits in terms of weight and bulk volume and a reduction in the amount of wiring. Tests conducted at low temperature (-7°C) and under high altitude conditions have also indicated advantages over the secondary air pump.

Es werden Möglichkeiten untersucht, das Kaltstart- und Warmlaufverhalten von Ottomotoren mit Sekundärlufteinblasung zu optimieren. Das für die Untersuchungen eingesetzte, innovative Sekundärlufteinblasesystem mittels Sekundärluftlader weist aufgrund der Baugröße, des Gewichts, der Leistungsfähigkeit und insbesondere der einfachen, thermodynamischen Betätigung Potenziale auf, die bisher eingesetzte Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Den experimentellen Untersuchungen wurde die Entwicklung der Abgasgesetzgebung sowie eine theoretische Betrachtung der Entstehungsmechanismen von Abgasemissionen vorangestellt. Mittels eines Simulationsmodells werden die Abhängigkeiten des Sekundärluftladers von den motorischen Randbedingungen abgebildet. Somit kann eine Vorauswahl für das Luftmassenförderverhalten des Sekundärluftladers bei unterschiedlichen Einsatzbereichen getroffen werden. Die im Start- und Warmlauf, ebenso im Lastwechsel, gemessenen Ergebnisse wurden zur Analyse der Emissionsverbesserungsmechanismen eingesetzt. Insbesondere der Einblasezeitpunkt der Sekundärluft und das Hochlaufverhalten des Sekundärluftsystems zeigen einen enormen Einfluss auf die Höhe der Rohemissionen. Eine Gegenüberstellung aller gemessenen Varianten mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftlader zeigt einen deutlichen Emissionsvorteil des Sekundärluftladersystems. Zusätzlich bewirkt der Sekundärluftlader, durch die Bordnetzentlastung eine Motorlastabsenkung bei verbessertem Ansprechverhalten und höherem Sekundärluftmassenstrom. Ergebnis ist eine Verringerung der HC-Rohemissionen zwischen 20% und 30%. Die Vorteile im Gewicht und Bauvolumen sowie der geringere Verkabelungsaufwand runden die deutlichen Vorteile des Sekundärluftladers gegenüber der Sekundärluftpumpe ab. Durchgeführte Untersuchungen bei Tieftemperatur (-7°C) und unter Höhenbedingungen haben ebenfalls Vorteile gegenüber der Sekundärluftpumpe ausgewiesen. Die theoretische Abschätzung des Einsatzfeldes für den Sekundärluftlader ist ab einem Hubraum von 1,2°l Hubraum durchgeführt und als positiv bewertet worden. / The paper investigates possible ways of optimizing the cold-start and warm-up performance of gasoline engines with secondary air injection. Due to its size, weight, performance capability, and especially its simple, thermodynamic operation the innovative secondary air injection system used for the investigations and featuring a secondary air charger has the potential to replace the secondary air pump used to date. The experimental investigations are preceded by the development of exhaust emission legislation and a theoretical analysis of the process leading to exhaust emissions. A simulation model is used to illustrate the dependencies of the secondary air charger on boundary engine conditions. Consequently it is possible to make a preselection for the air mass conducting properties of the secondary air charger in various fields of application. The results obtained by measurement in starting, warm-up, and in load changes, were used to analyze the emission improvement processes. The level of raw emissions is affected enormously by the time of injection of secondary air and the acceleration performance of the secondary air system. A comparison of all the measured variants with the secondary air pump and secondary air charger indicates that the secondary air charger system has a distinct emission advantage. In addition, by relieving the vehicle power supply the secondary air charger brings about a reduction in engine load, improved response, and higher secondary air mass flow. The result is a 20% to 30% reduction in raw HC emissions. The significant advantages over the secondary air pump are rounded off by benefits in terms of weight and bulk volume and a reduction in the amount of wiring. Tests conducted at low temperature (-7°C) and under high altitude conditions have also indicated advantages over the secondary air pump.