sonderforschungsbereich sfb 686 modellbasierte regelung der homogenisierten...
TRANSCRIPT
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 3
Problemstellung
Homogenisierte Niedertemperaturverbrennung:
• Niedrige Spitzentemperaturen
niedrige NOX- Emissionen
• Weitgehende Homogenisierung der Mischung
reduzierte Ruß-Emissionen
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 4
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 5
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 6
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 7
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 8
Projektbereich A: Modellbasierte Regelung
Modellbasierte Optimierung des Stellgrößenverlaufs
Modell
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 9
PB B: Homogenisierung und Niedertemperaturverbrennung
Homogenisierung durch turbulente Mischung
Niedertemperatur-Verbrennung im
oszillierenden Rührreaktor
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 10
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 11
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 12
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 13
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 14
Perfectly Stirred Reactor I
Temperature measurements, perfectly stirred reactor
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 15
Perfectly Stirred Reactor II
Temperature measurements, perfectly stirred reactor
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 16
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 17
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 18
Analysis of oscillations
1. Auto-ignition, 2. Extinction, 3. Initiation
1
2
3
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 19
Analysis of oscillations
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 20
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
Analysis of oscillations
• Cut off “O2 + CH3 = CH3O2”
No No OscillationsOscillations
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 21
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 22
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 23
Linearisierung mittels Finiter Differenzen
Linearisierungspunkte
Lineare Prädiktion ODE-Modell
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 24
Regelungsergebnis in der Simulation
Regelung mit Mischungsverhältnis CH4/O2 als Stellgröße mit linearemRegelungsansatz:
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 25
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 26
Regelung mit reduziertem Modell und NMPR
Regelung unter Benutzung des reduzierten Modells mit Nichtlinearer modellgestützter prädiktiver Regelung:
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 27
Laufende Arbeiten
Experimentelle Untersuchungen und kinetische Modellierung
von Verbrennungsinstabilitäten ineinem homogenen Niedertemperaturreaktor
Sachbearbeiter: Ulf Struckmeier
Projektleiter: K. Kohse-Höinghaus
PC1 Universität Bielefeld
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 28
Übersicht
• Bisherige Projektperiode
– Details der Niedertemperaturverbrennung• Laserverfahren: Temperatur und Intermediate
• Niedertemperaturbrenner: hochverdünnte CH4-Flamme
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 29
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.)
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 31
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 32
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. 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
Lokale Kühleffekte durch Probenentnahme: Strategie für Temperaturmessung
bei massenspektrometrischer Flammenanalyse
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 33
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. 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
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 35
Niedertemperaturbrenner
Vorheizung
Speziell konstruierter Brenner,partielle Vormischung, 1 bar,
Vorheizung:in Betrieb, stabil, reproduzierbar
Sonde MBMS
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 36
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 37
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
01/04/2009 Sprechervortrag Prof. N. Peters 38
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 39
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Zum Ende …