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Sonderforschungsbereich SFB 686 Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung Sprechervortrag Prof. N. Peters.

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1 Sonderforschungsbereich SFB 686 Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung Sprechervortrag Prof. N. Peters

2 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters2 Ausgangssituation Herkömmliche Brennverfahren stabilisieren die Verbrennung durch Mischungsgradienten. Dies führt zu dem Zielkonflikt: Ruß NOx Dies ist ein mit herkömmlichen Methoden nicht lösbares Problem Verbrennungsprozesse sind auf absehbare Zeit für die Energieversorgung und Mobilität unverzichtbar

3 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters3 Problemstellung Homogenisierte Niedertemperaturverbrennung: Niedrige Spitzentemperaturen niedrige NO X - Emissionen Weitgehende Homogenisierung der Mischung reduzierte Ruß-Emissionen

4 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters4 Problemstellung Durch niedigere Spitzentemperaturen werden die chemischen Zeitskalen länger. Durch Homogenisierung werden die Zeitskalen der Mischung kürzer. Die physikalisch wirksame Kontrolle der Reaktionsvorgänge über die Mischung ist daher außer Kraft gesetzt. Bei der Annäherung dieser beiden Zeitskalen besteht die Gefahr von Verbrennungsinstabilitäten

5 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters5 Lösung Technische Lösung des Problems der Instabilitäten Regelung des Prozesses Berücksichtigung des nichtlinearen Charakters der Verbrennungsvorgänge modellbasierte Regelungsstrategien Eine faszinierende Aufgabe in der Verbrennung wie in der Regelungstechnik, zu deren Lösung wir beitragen wollen.

6 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters6 Modellbasierter Regler Reglerinternes Modell für die Vorhersage der Regelgrößen EntwurfsphaseArbeitsphase Steuergrößen Reglerexternes Modell CFD-Simulation der Regelstrecke Technischer Verbrennungsprozess Simulierte Regelgrößen Gemessene Regelgrößen Vorgehensweise im SFB

7 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters7 Modellbasierte Regelung Projektbereich A: (Prof. Abel) Projektbereich B: (Prof. Kohse-Höinghaus) Homogenisierung und Niedertemperatur- Verbrennung Projektbereich C: (Prof. Bohn) Regelung von Verbrennungsprozessen in Gasturbinen- Brennkammern Projektbereich D: (Prof. Pischinger) Regelung von Verbrennungsmotoren Projektbereiche

8 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters8 Projektbereich A: Modellbasierte Regelung Modellbasierte Optimierung des Stellgrößenverlaufs Modell

9 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters9 PB B: Homogenisierung und Niedertemperaturverbrennung Homogenisierung durch turbulente Mischung Niedertemperatur- Verbrennung im oszillierenden Rührreaktor

10 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters10 PB C: Regelung von Verbrennungsprozessen in Gasturbinen-Brennkammern Brennkammer und Matrixbrennerkopf Kopplung des Reglers an die numerische Simulation Störgrößen reduzierte Brennkammer- schwingungen Instationäre Simulation des Verbrennungsprozesses modellbasierter Regler Modulation der Stoffströme Regelgrößen, z.B. Wärme- freisetzung

11 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters11 Nahezu homogene Selbstzündung: Extrem niedrige Emissionen Regelung durch variable Ventilsteuerung, variable Einspritzfolge Projektbereich D: Regelung von Verbrennungsmotoren Niedertemperatur- Verbrennung in Motoren HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) für Dieselkraftstoff CAI (Controlled Auto- Ignition) für Otto-Kraftstoff arbeiten mit hoher Abgas- bzw. Restgasrückführung

12 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters12 Laufende Arbeiten Experimentelle Untersuchungen und kinetische Modellierung von Verbrennungsinstabilitäten in einem homogenen Niedertemperaturreaktor Sachbearbeiter: Klaus-Dieter Stoehr Tomoya Wada Ulf Struckmeier Projektleiter: K. Kohse-Höinghaus, N. Peters Institut für Technische Verbrennung, RWTH Aachen University PC1 Universität Bielefeld

13 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters13 Experimental Setup Perfectly Stirred Reactor ( PSR ) –Volume: 0.1 dm³ Oven –Max temperature: 1433 K Temperature measurements –Thermocouple (Typ B, R/S, K) Experimental parameters –Temperatures Inlet ( T in ) Ambient ( Reactor, T amb ) –Compositions ( C/O ratio ) –Residence time (τ) –Dilutions Perfectly Stirred Reactor in the Oven

14 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters14 Perfectly Stirred Reactor I Temperature measurements, perfectly stirred reactor

15 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters15 Perfectly Stirred Reactor II Temperature measurements, perfectly stirred reactor

16 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters16 0D Flame Calculations Governing equations –Species equations –Energy equation Heat loss is important T in T amb Common Parameters with Experiments – Volume of the Reactor – T in = T amb = 1100 K – = 0.6 ( = 1.67) – = 0.5 s – Dilutions (85 %) Num. Parameter –Heat transfer coefficient = cal/(cm 2 Ks)

17 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters17 Species: 1/10 Reactions: 1/80 Mechanism reduction Full mechanism 310 species and 8335 reactions T max : 1540 K Frequency: 1.5 Hz Skeletal mechanism 32 species and 104 reactions T max : 1596 K Frequency: 1.2 Hz

18 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters18 Analysis of oscillations 1. Auto-ignition, 2. Extinction, 3. Initiation 1 2 3

19 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters19 Analysis of oscillations 1. Auto-ignition 2. Extinction 3. Initiation CH 4 CO 2 CH 2 O CH 3 OH CH 2 OH CH 3 O C1C1 CH 3 O 2 CH 4 CH 2 O C1C1 CO 2 CH 4 CO 2 CH 2 O CH 3 OH CH 2 OH CH 3 O C1C1 CH 3 O 2 C2H6C2H6 Cut off

20 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters20 Analysis of oscillations Cut off O 2 + CH 3 = CH 3 O 2 No Oscillations

21 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters21 Summary For low temperature combustion at T in = 1100 K for the lean case, CH 3 O 2 and CH 3 O are needed for auto-ignition. The oscillations occur only if heat loss is sufficiently high. Then after ignition, the temperature falls to values close to T in. Since fuel is continuously supplied, it builds up and auto-ignition occurs again. At very low heat rates the temperature stays high after auto-ignition and the supplied fuel is continuously consumed. No oscillations occur.

22 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters22 Laufende Arbeiten Prozessführung und Stabilisierung hochdynamischer Verbrennungsvorgänge in Brennkammern Sachbearbeiter: Fabian Jarmolowitz Projektleiter: G. Kessler, D. Abel Institut für Regelungstechnik, RWTH Aachen University

23 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters23 Linearisierung mittels Finiter Differenzen Linearisierungspunkte Lineare PrädiktionODE-Modell

24 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters24 Regelungsergebnis in der Simulation Regelung mit Mischungsverhältnis CH 4 /O 2 als Stellgröße mit linearem Regelungsansatz:

25 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters25 Math. Modellreduktion auf Ordnung n = 25 Math. Modellreduktion mittels des Trajectory Piecewise-Linear Ansatzes: TPWL-ModellODE-Modell

26 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters26 Regelung mit reduziertem Modell und NMPR Regelung unter Benutzung des reduzierten Modells mit Nichtlinearer modellgestützter prädiktiver Regelung:

27 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters27 Laufende Arbeiten Experimentelle Untersuchungen und kinetische Modellierung von Verbrennungsinstabilitäten in einem homogenen Niedertemperaturreaktor Sachbearbeiter: Ulf Struckmeier Projektleiter: K. Kohse-Höinghaus PC1 Universität Bielefeld

28 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters28 Übersicht Bisherige Projektperiode –Details der Niedertemperaturverbrennung Laserverfahren: Temperatur und Intermediate Niedertemperaturbrenner: hochverdünnte CH 4 -Flamme

29 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters29 Ziele Untersuchung der Niedertemperaturverbrennung ( Bielefeld ) zur Entwicklung und Validierung von kinetischen Reaktionsmodellen ( Aachen ) Dazu: Bestimmung der quantitativen Konzentrationen beteiligter Spezies ( Hauptspezies, Intermediate, Radikale ) und der Temperatur Methoden: einzigartige Kombination aus Laserverfahren ( LIF, CRDS, berührungsfrei ) und Molekularstrahl- Massenspektrometrie ( invasiv ) Objekte: spezieller Brenner, spezieller Reaktor

30 Laserverfahren Temperatur und Intermediate Dr. Markus Köhler, Patrick Osswald, Dr. Andreas Brockhinke Patrick Nau (Dipl.), Melanie Heusing (B.Sc.)

31 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters31 Temperatur-Imaging in Flammen Neuer, zeitsparender Aufbau für Temperaturmessungen Ulf Struckmeier, Patrick Oßwald, Tina Kasper, Lena Böhling, Melanie Heusing, Markus Köhler, Andreas Brockhinke, Katharina Kohse-Höinghaus, Sampling probe influences on temperature and species concentrations in molecular beam mass spectroscopic investigations of flat premixed low-pressure flames, Z. Phys. Chem submitted Melanie Heusing, Temperatur-Imaging durch laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie an Stickstoffmonoxid, Bachelorarbeit, B.Sc., Juli 2008

32 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters32 Temperatureffekte bei Probenentnahme Ulf Struckmeier, Patrick Oßwald, Tina Kasper, Lena Böhling, Melanie Heusing, Markus Köhler, Andreas Brockhinke, Katharina Kohse-Höinghaus, Sampling probe influences on temperature and species concentrations in molecular beam mass spectroscopic investigations of flat premixed low-pressure flames, Z. Phys. Chem submitted Lena Böhling, Probenentnahme Effekte bei der Molekularstrahlmassenspektrometrie an laminaren Niederdruckflammen, Bachelorarbeit, B.Sc., Juli 2008 Melanie Heusing, Temperatur-Imaging durch laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie an Stickstoffmonoxid, Bachelorarbeit, B.Sc., Juli 2008 Lokale Kühleffekte durch Probenentnahme: Strategie für Temperaturmessung bei massenspektrometrischer Flammenanalyse

33 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters33 Quantitativer Speziesnachweis Ulf Struckmeier, Patrick Oßwald, Tina Kasper, Lena Böhling, Melanie Heusing, Markus Köhler, Andreas Brockhinke, Katharina Kohse-Höinghaus, Sampling probe influences on temperature and species concentrations in molecular beam mass spectroscopic investigations of flat premixed low-pressure flames, Z. Phys. Chem submitted Patrick Nau, CRD- und LIF-Spektroskopie zur Detektion reaktiver Spezies in laminaren Niederdruckflammen, Diplomarbeit, September 2008 Markus Köhler, Systematische Brennstoffuntersuchungen mittels quasi-simultaner CRD- und LIF-Spektroskopie, Dissertation, Oktober 2008 Vergleich laserspektroskopischer und massenspektrometischer Analyse: gute Übereinstimmung für wichtige Intermediate, Verbesserungsbedarf Formaldehyd

34 Niedertemperaturbrenner Hochverdünnte Methanflamme Ulf Struckmeier, Arnas Lucassen Gast: Dr. Nils Hansen (Sandia), neu: Kai Moshammer

35 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters35 Niedertemperaturbrenner Vorheizung Speziell konstruierter Brenner, partielle Vormischung, 1 bar, Vorheizung: in Betrieb, stabil, reproduzierbar Sonde MBMS

36 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters36 Niedertemperaturverbrennung Speziell konstruierter Brenner, partielle Vormischung, 1 bar: Temperaturen K sind zugänglich Ulf Struckmeier, Nils Hansen, Arnas Lucassen, Patrick Oßwald, Katharina Kohse-Höinghaus, Investigation of low-temperature atmospheric methane flames with molecular beam mass spectrometry, to be published 2009

37 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters37 Stöch. Flamme (Φ=1.0, 90% Ar) 1460 K: Flammenfront sichtbar, Messung reproduzierbar Auswertung in progress Niedertemperaturverbrennung Ulf Struckmeier, Nils Hansen, Arnas Lucassen, Patrick Oßwald, Katharina Kohse-Höinghaus, Investigation of low-temperature atmospheric methane flames with molecular beam mass spectrometry, to be published 2009

38 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters38 Niedertemperaturverbrennung Magere Flamme (Φ=0.8, 90% Ar) 1400 K: Flammenfront sichtbar, Messung reproduzierbar Auswertung in progress Ulf Struckmeier, Nils Hansen, Arnas Lucassen, Patrick Oßwald, Katharina Kohse-Höinghaus, Investigation of low-temperature atmospheric methane flames with molecular beam mass spectrometry, to be published 2009

39 01/04/2009Sprechervortrag Prof. N. Peters39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Zum Ende …


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