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

Sonderforschungsbereich

SFB 686Modellbasierte Regelung

der homogenisiertenNiedertemperatur-Verbrennung

Sprechervortrag Prof. N. Peters

01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 2

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


Problemstellung

Homogenisierte Niedertemperaturverbrennung:

• Niedrige Spitzentemperaturen

niedrige NOX- Emissionen

• Weitgehende Homogenisierung der Mischung

reduzierte Ruß-Emissionen


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


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.


Modellbasierter Regler

Reglerinternes Modell für die Vorhersage der Regelgrößen

Entwurfsphase ArbeitsphaseSteuergrößen

Reglerexternes Modell CFD-Simulation der Regelstrecke

TechnischerVerbrennungsprozess

Simulierte Regelgrößen

Gemessene Regelgrößen

Vorgehensweise im SFB


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


Projektbereich A: Modellbasierte Regelung

Modellbasierte Optimierung des Stellgrößenverlaufs

Modell


PB B: Homogenisierung und Niedertemperaturverbrennung

Homogenisierung durch turbulente Mischung

Niedertemperatur-Verbrennung im

oszillierenden Rührreaktor


PB C: Regelung von Verbrennungsprozessen in

Gasturbinen-Brennkammern

Brennkammer undMatrixbrennerkopf

Kopplung des Reglers an die numerische Simulation

Störgrößen

reduzierte Brennkammer-schwingungen

Instationäre Simulation des

Verbrennungsprozesses

modellbasierterRegler

Modulationder

Stoffströme

Regelgrößen,z.B. Wärme-freisetzung


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-Kraftstoffarbeiten mit hoher Abgas- bzw. Restgasrückführung


Laufende Arbeiten

Experimentelle Untersuchungen und kinetische Modellierung

von Verbrennungsinstabilitäten ineinem 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


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


Perfectly Stirred Reactor I

Temperature measurements, perfectly stirred reactor


Perfectly Stirred Reactor II

Temperature measurements, perfectly stirred reactor


0D Flame Calculations

• Governing equations – Species equations– Energy equation

• Heat loss is important

TinTamb

• Common Parameters with Experiments– Volume of the Reactor

– Tin = Tamb = 1100 K

– = 0.6 ( = 1.67) – = 0.5 s– Dilutions (85 %)

• Num. Parameter– Heat transfer coefficient

= 0.002 cal/(cm2Ks))( ambloss TThQ


Species: Species: 1/101/10

Reactions: Reactions: 1/801/80

Mechanism reduction

Full mechanismFull mechanism

310310 species and species and 83358335 reactionsreactions

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 21000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

time

Tem

pera

ture

ReactorType = OHR, System = CK, Rxnmech = C2-NN-ARN-HEN-Full-mech, Tin

= 1100, in

= 0.6, = 0.5, htc = 0.002

Tmax: 1540 K

Frequency: 1.5 Hz

Skeletal mechanismSkeletal mechanism

3232 species and species and 104104 reactions reactions

Tmax: 1596 K

Frequency: 1.2 Hz


Analysis of oscillations

1. Auto-ignition, 2. Extinction, 3. Initiation

1

2

3



1. Auto-ignition

2. Extinction 3. Initiation

CH4

CO2

CH2O

CH3OHCH2OHCH3OC1

CH3O2

CH4

CH2O

C1

CO2

CH4

CO2

CH2O

CH3OHCH2OHCH3OC1

CH3O2

C2H6

Cut Cut offoff


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001099.99

1100

1100.01

1100.02

1100.03

1100.04

1100.05

1100.06

1100.07

1100.08

time

Tem

pera

ture

ReactorType = OHR, System = CK, Rxnmech = TEST, Tin = 1100,

in = 0.6, = 0.5, htc = 0.002

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

time

Tem

pera

ture

ReactorType = OHR, System = CK, Rxnmech = C2-Skeletal-CPA0005-ROP0000060000000-mech, Tin = 1100,

in = 0.6, = 0.5, htc = 0.002


• Cut off “O2 + CH3 = CH3O2”

No No OscillationsOscillations


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.


Laufende Arbeiten

Prozessführung und Stabilisierung hochdynamischer Verbrennungsvorgänge in

Brennkammern

Sachbearbeiter: Fabian Jarmolowitz

Projektleiter: G. Kessler, D. Abel

Institut für Regelungstechnik, RWTH Aachen University


Linearisierung mittels Finiter Differenzen

Linearisierungspunkte

Lineare Prädiktion ODE-Modell


Regelungsergebnis in der Simulation

Regelung mit Mischungsverhältnis CH4/O2 als Stellgröße mit linearemRegelungsansatz:


Math. Modellreduktion auf Ordnung n = 25

Math. Modellreduktion mittels des „Trajectory Piecewise-Linear“ Ansatzes:

TPWL-Modell ODE-Modell


Regelung mit reduziertem Modell und NMPR

Regelung unter Benutzung des reduzierten Modells mit Nichtlinearer modellgestützter prädiktiver Regelung:


Laufende Arbeiten

Experimentelle Untersuchungen und kinetische Modellierung

von Verbrennungsinstabilitäten ineinem homogenen Niedertemperaturreaktor

Sachbearbeiter: Ulf Struckmeier

Projektleiter: K. Kohse-Höinghaus

PC1 Universität Bielefeld


Übersicht

• Bisherige Projektperiode

– Details der Niedertemperaturverbrennung• Laserverfahren: Temperatur und Intermediate

• Niedertemperaturbrenner: hochverdünnte CH4-Flamme


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

Laserverfahren

Temperatur und Intermediate

Dr. Markus Köhler, Patrick Osswald, Dr. Andreas BrockhinkePatrick Nau (Dipl.), Melanie Heusing (B.Sc.)


Temperatur-Imaging in Flammen

Neuer, zeitsparender Aufbau fürTemperaturmessungen

• 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


Temperatureffekte bei Probenentnahme


• 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


Quantitativer Speziesnachweis


• 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

Niedertemperaturbrenner

Hochverdünnte Methanflamme

Ulf Struckmeier, Arnas LucassenGast: Dr. Nils Hansen (Sandia), neu: Kai Moshammer


Niedertemperaturbrenner

Vorheizung

Speziell konstruierter Brenner,partielle Vormischung, 1 bar,

Vorheizung:in Betrieb, stabil, reproduzierbar

Sonde MBMS


Niedertemperaturverbrennung

Speziell konstruierter Brenner,partielle Vormischung, 1 bar:

Temperaturen 1300-1800 Ksind 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


Stöch. Flamme (Φ=1.0, 90% Ar)1460 K:

Flammenfront sichtbar,Messung reproduzierbar

Auswertung „in progress“





Magere Flamme (Φ=0.8, 90% Ar)1400 K:

Flammenfront sichtbar,Messung reproduzierbar

Auswertung „in progress“



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Zum Ende …

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