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

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

Sprechervortrag Prof. N. Peters Problemstellung Homogenisierte Niedertemperaturverbrennung: Niedrige Spitzentemperaturen  niedrige NOX- Emissionen Weitgehende Homogenisierung der Mischung  reduzierte Ruß-Emissionen 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Sprechervortrag Prof. N. Peters 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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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. 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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

Projektbereich A: Modellbasierte Regelung Im Projektbereich A werden regelungstechnische Methoden erforscht und untersucht, die auf den Modellen der Projektpartner aufsetzen und die Modelle in einer vereinfachten Form verwenden, um die zukünftige Reaktion des Systems zu berechnen. Anhand dieser Möglichkeit lassen sich Stelleingriffe bestimmen, die zu einem optimalen Verhalten der geregelten Systeme führen, also den Prozess stabilisieren und beherrschbar machen. Aufgrund der Schnelligkeit und Komplexität des Prozesses stellt die Erforschnug geeigneter Methoden eine Grundlagenarbeit dar. Modellbasierte Optimierung des Stellgrößenverlaufs 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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

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 Nahezu homogene Selbstzündung: Extrem niedrige Emissionen Regelung durch variable Ventilsteuerung, variable Einspritzfolge 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Perfectly Stirred Reactor in the Oven 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 ( Tin ) Ambient ( Reactor, Tamb ) Compositions ( C/O ratio ) Residence time (τ) Dilutions Perfectly Stirred Reactor in the Oven 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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

Sprechervortrag Prof. N. Peters 0D Flame Calculations Common Parameters with Experiments Volume of the Reactor Tin = Tamb = 1100 K f = 0.6 (l = 1.67) t = 0.5 s Dilutions (85 %) Num. Parameter Heat transfer coefficient = 0.002 cal/(cm2Ks) Tin Tamb Governing equations Species equations Energy equation Heat loss is important 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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

Analysis of oscillations 1. Auto-ignition 2. Extinction 3. Initiation CH4 CH2O C1 CO2 CH4 CO2 CH2O CH3OH CH2OH CH3O C1 CH3O2 CH4 CO2 CH2O CH3OH CH2OH CH3O C1 CH3O2 C2H6 Cut off 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Analysis of oscillations No Oscillations Cut off “O2 + CH3 = CH3O2” 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Sprechervortrag Prof. N. Peters Summary For low temperature combustion at Tin = 1100 K for the lean case, CH3O2 and CH3O 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 Tin. 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. 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

Linearisierung mittels Finiter Differenzen Linearisierungspunkte Lineare Prädiktion ODE-Modell 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Regelungsergebnis in der Simulation Regelung mit Mischungsverhältnis CH4/O2 als Stellgröße mit linearem Regelungsansatz: 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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

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

Sprechervortrag Prof. N. Peters Übersicht Bisherige Projektperiode Details der Niedertemperaturverbrennung Laserverfahren: Temperatur und Intermediate Niedertemperaturbrenner: hochverdünnte CH4-Flamme 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Sprechervortrag Prof. N. Peters 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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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. 2009 submitted Melanie Heusing, Temperatur-Imaging durch laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie an Stickstoffmonoxid, Bachelorarbeit, B.Sc., Juli 2008 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Temperatureffekte bei Probenentnahme Lokale Kühleffekte durch Probenentnahme: Strategie für Temperaturmessung bei massenspektrometrischer Flammenanalyse 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. 2009 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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Quantitativer Speziesnachweis Vergleich laserspektroskopischer und massenspektrometischer Analyse: gute Übereinstimmung für wichtige Intermediate, Verbesserungsbedarf Formaldehyd 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. 2009 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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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

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

Niedertemperaturverbrennung Speziell konstruierter Brenner, partielle Vormischung, 1 bar: Temperaturen 1300-1800 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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

Niedertemperaturverbrennung Stöch. Flamme (Φ=1.0, 90% Ar) 1460 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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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 01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters

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