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Sonderforschungsbereich. SFB 686. Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung Sprechervortrag Prof. N. Peters. Ausgangssituation. Verbrennungsprozesse sind auf absehbare Zeit für die Energieversorgung und Mobilität unverzichtbar.
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Sonderforschungsbereich SFB 686 Modellbasierte Regelung der homogenisiertenNiedertemperatur-Verbrennung 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
Problemstellung Homogenisierte Niedertemperaturverbrennung: • Niedrige Spitzentemperaturen niedrige NOX- Emissionen • Weitgehende Homogenisierung der Mischung reduzierte Ruß-Emissionen 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
Lösung Technische Lösung desProblems der Instabilitäten Regelung des Prozesses Berücksichtigung desnichtlinearen Charaktersder Verbrennungsvorgänge modellbasierte Regelungsstrategien Eine faszinierende Aufgabe in der Verbrennung wie in der Regelungstechnik, zu deren Lösung wir beitragen wollen. Sprechervortrag Prof. N. Peters
Vorgehensweise im SFB Simulierte Regelgrößen Modellbasierter Regler Reglerinternes Modell für die Vorhersage der Regelgrößen Gemessene Regelgrößen Entwurfsphase Arbeitsphase Steuergrößen Reglerexternes Modell CFD-Simulation der Regelstrecke Technischer Verbrennungsprozess Sprechervortrag Prof. N. Peters
Projektbereiche Projektbereich A: (Prof. Abel) Modellbasierte Regelung Projektbereich B:(Prof. Kohse-Höinghaus) Homogenisierung und Niedertemperatur-Verbrennung Projektbereich D: (Prof. Pischinger) Projektbereich C: (Prof. Bohn) Regelung von Verbrennungsprozessen in Gasturbinen-Brennkammern Regelung von Verbrennungsmotoren Sprechervortrag Prof. N. Peters
Modellbasierte Optimierung des Stellgrößenverlaufs Modell Projektbereich A: Modellbasierte Regelung Sprechervortrag Prof. N. Peters
Homogenisierung durch turbulente Mischung Niedertemperatur-Verbrennung im oszillierenden Rührreaktor PB B: Homogenisierung und Niedertemperaturverbrennung Sprechervortrag Prof. N. Peters
Brennkammer und Matrixbrennerkopf Kopplung des Reglers an die numerische Simulation 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 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 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
Perfectly Stirred Reactor I Temperature measurements, perfectly stirred reactor Sprechervortrag Prof. N. Peters
Perfectly Stirred Reactor II Temperature measurements, perfectly stirred reactor Sprechervortrag Prof. N. Peters
Tin Tamb 0D Flame Calculations • Governing equations • Species equations • Energy equation • Heat loss is important • 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) Sprechervortrag Prof. N. Peters
Tmax: 1540 K Frequency: 1.5 Hz Skeletal mechanism 32 species and 104 reactions Species: 1/10 Reactions: 1/80 Tmax: 1596 K Frequency: 1.2 Hz Mechanism reduction Full mechanism 310 species and 8335 reactions Sprechervortrag Prof. N. Peters
Analysis of oscillations 1. Auto-ignition, 2. Extinction, 3. Initiation 1 2 3 Sprechervortrag Prof. N. Peters
CH4 CH4 CH4 CH3OHCH2OHCH3O CH3OHCH2OHCH3O C2H6 C1 C1 C1 CH3O2 CH3O2 CH2O CH2O CH2O Cut off CO2 CO2 CO2 Analysis of oscillations 2. Extinction 1. Auto-ignition 3. Initiation Sprechervortrag Prof. N. Peters
No Oscillations Analysis of oscillations • Cut off “O2 + CH3 = CH3O2” 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. 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
Linearisierung mittels Finiter Differenzen Linearisierungspunkte Lineare Prädiktion ODE-Modell Sprechervortrag Prof. N. Peters
Regelungsergebnis in der Simulation Regelung mit Mischungsverhältnis CH4/O2 als Stellgröße mit linearem Regelungsansatz: Sprechervortrag Prof. N. Peters
Math. Modellreduktion auf Ordnung n = 25 Math. Modellreduktion mittels des „Trajectory Piecewise-Linear“ Ansatzes: TPWL-Modell ODE-Modell Sprechervortrag Prof. N. Peters
Regelung mit reduziertem Modell und NMPR Regelung unter Benutzung des reduzierten Modells mit Nichtlinearer modellgestützter prädiktiver Regelung: 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
Übersicht • Bisherige Projektperiode • Details der Niedertemperaturverbrennung • Laserverfahren: Temperatur und Intermediate • Niedertemperaturbrenner: hochverdünnte CH4-Flamme 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
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 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 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
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 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 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 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 Sprechervortrag Prof. N. Peters
Zum Ende … Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sprechervortrag Prof. N. Peters
