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Chemischer
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Forschungsprokte



Liste der aktuellen Forschungsprojekte
Kompakte helixförmig angeordnete Brennkammern mit mageren angehobenen Flammen
Energy Efficient Coil Coating Process
Emissions Soot Model
Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
Methanmotoren für Personenkraftwagen




Kompakte helixförmig angeordnete Brennkammern mit mageren angehobenen Flammen
(CHAiRLIFT)

The main objective of the European research project CHAiRLIFT is to assess an innovative combustor concept capable to achieve an ultra-lean, low NOx, operation of future engines. The innovative concept has the potential to achieve the long term European emissions goals for aircraft engines as set in the “Flightpath 2050” by Advisory Council for Aviation and Research in Europe. For addressing this issue, a new concept of combustors is proposed in the CHAiRLIFT project by combining of the following features:

The first is to adopt “low swirl” lean lifted spray flames which feature a high degree of premixing and consequently significantly reduced NOx emissions. Inherent characteristics of such flames are the strongly reduced risk of flashback. However, such lifted flames bear the risk of lean blow out at some operating conditions. Therefore, the lean lifted spray flames are combined with an alternative approach to standard flame piloting. Stable and safe operations of the combustor are ensured by the interaction of adjacent flames in circumferential direction within the annular combustion chamber. This requires tilting of the axis of the flames relative to the axis of the machine. This design is called Short Helical Combustor (SHC). It has the advantage that no extra pilot flame is required which may produce additional NOx emissions. Additional benefits are the reduced length of the combustor. Most importantly, the turning angle of the NGV can be reduced resulting into a smaller number of NGV and hence reduced cooling air requirement.

The project partners of CHAIRLIFT are  the University of Florence (coordinator), Karlsruhe Institute of Technology, University of Salento and the University of Rouen.

The Enlger-Bunte-Institute of Karlsruhe Institute of Technology is conducting the experimental investigations on a multi burner array with and without inclination. The Lean Blow Out limits (LBO) at different operating conditions (air inlet temperature, relative air pressure drop) will be determined, the velocity field will be measured by Laser optical methods as Particle Image Velocimetry (PIV) and the flame shape by e.g. OH*-chemiluminescence. Furthermore, measurements of local mixture fraction and temperature by probe measurements will be applied to enhance the understanding of the stabilization mechanism. Moreover, to explore further NOx reduction capabilities of the concept, an advanced LBO active control will also be tested by combining ion sensor probe and nano-plused plasma-assisted combustion in cooperation with the University of Salento.





Energy Efficient Coil Coating Process
(ECCO)
Energy Efficient Coil COating Process

Coil Coating ist ein wichtiger industrieller Prozess, der in einem großen Teil der industriellen Stahl- und Metalllegierungsproduktion eingesetzt wird und mit großen Anlagen und großem Primärenergieverbrauch verbunden ist. Ein großer Teil der Gesamtanlagengröße und des Energiebedarfs von Bandbeschichtungsanlagen ist mit dem Trocknungs- bzw. Aushärteprozess innerhalb eines Aushärteofens verbunden, einem Engpass bei der Erhöhung der Produktionskapazität. Bei diesem Trocknungs-/Härteprozess werden organische Lösungsmittel aus dem aufgetragenen flüssigen Beschichtungsfilm verdampft und da sie brennbar sind, müssen die üblicherweise eingesetzten Härteöfen mit Konvektionslufttrocknungstechnik aus Sicherheitsgründen weit unterhalb der Explosionsgrenze (LOW) betrieben werden. ECCO bietet eine neuartige Lösung für den Aushärteofenbetrieb an, die nicht nur die Kompaktheit und energetische Effizienz des Systems drastisch erhöhen kann, sondern durch einen brennstoffflexiblen, modularen und potenziell energetisch selbsttragenden Prozess zu einer erhöhten Produktionsflexibilität führt. Die Hauptidee besteht darin, das Metallband durch IR-Strahlung zu erwärmen und den Aushärteofen weit über die obere Explosionsgrenze (UEL) hinaus zu betreiben, um den Trocknungs- und Aushärtungsprozess in einer Atmosphäre durchzuführen, die hauptsächlich aus Lösemitteldämpfen besteht, die als Brennstoff in IR-Strahlungsporenbrennern verwendet werden.

Abbildung 1: Vergleich von herkömmlichen Trocknungsprozessen zu ECCO Konzept.

Diese Lösung führt zu einer Reduzierung der Größe/Produktionskapazität von 70% und zu einer Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten um jeweils mindestens 40%. Ausgehend von den bisherigen Aktivitäten bei TRL 4 ist ein interdisziplinärer Ansatz vorgesehen, der auf fortschrittlichen Werkstoffen, Verbrennungstechnik und Prognosewerkzeugen für die Systemauslegung/-optimierung aufbaut, um diese Technologie unter aktiver Beteiligung der wichtigsten industriellen Akteure in TRL 6 einzubringen und einen Prototypenofen in industriell relevanter Größe und Umgebung zu realisieren.

Video 1: Lösemittel während Zündung in Explosionsprüfstand zur Ermittlung der Sauerstoffgrenzkonzentartion.

 





Emissions Soot Model
(ESTiMatE)

Im Rahmen des EU-H2020-Projekts „Emissions Soot Model“ (ESTiMatE) soll eine Modellierungsstrategie, zur Vorhersage von Kohlenstoffpartikelemissionen (Ruß) aus dem Betrieb von Flugtriebwerken, entwickelt werden. 

Dies erfordert die Verbesserung oder Entwicklung anspruchsvoller Modelle für die betreffenden Teilprozesse und eine Validierung anhand von Referenzexperimenten, um eine zuverlässige Prognose der Rußemissionen zu gewährleisten. Ziel der Arbeiten des Teilinstituts Verbrennungstechnik im Rahmen des Projekts ist es, Datensätze unter repräsentativen Verbrennungsbedingungen zu generieren, die zur Validierung der entwickelten Modelle verwendet werden können.

Diesbezüglich werden laminare Gegenstrommodelflammen eines Kerosin-Surrogates und dessen einzelner Komponenten (z.B. Dodekan und Iso-Oktan) grundlegend untersucht, um den Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung und des Druckes (bis 8 bar) auf die Flammenstruktur und insbesondere auf die Bildung von Ruß Vorläufern [Benzol (A1), Naphthalin (A2), Pyren (A4), etc.] und Rußpartikeln zu erläutern. Die gewonnenen Daten werden erst mit bereits entwickelten Chemiemodellen verglichen und danach für die Validierung der im ESTiMatE entwickelten Modelle verwendet. In der Abbildung sind experimentelle und numerisch berechnete Konzentrationsverläufe gasförmiger Spezies in einer nicht-vorgemischten Gegenstromflamme von Iso-Oktan dargestellt.

 





Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
(MAGISTER)


Das Projekt wird im Rahmen von Marie Skłodowska-Curie Actions als Innovative Training Network (ITN) gefördert.

Der Luftverkehr wird in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich weiter wachsen. Saubere Verbrennungstechnologie für Flugzeugtriebwerke ist ein Schlüsselfaktor, um die Auswirkungen dieses Wachstums auf die Ökosysteme und die Gesundheit der Menschen zu verringern. Die Vision für den europäischen Luftverkehr wird durch die Ziele des Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe in the Flight Path 2050 geprägt, das strenge Vorschriften zu Schadstoffemissionen definiert.

Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln die großen Motorenhersteller mager vorgemischte Brennkammern, die mit sehr hohem Druck betrieben werden. Diese Entwicklung birgt ein großes Risiko für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Motoren: Druckschwankungen in der Brennkammer, die als Thermoakustik bezeichnet werden.

Die Luftfahrtindustrie erlebt derzeit die vierte industrielle Revolution: Cyberphysikalische Systeme analysieren und überwachen technische Systeme und treffen automatisierte Entscheidungen. Diese industrielle Revolution wird in Deutschland als "Industrie 4.0" und in den USA als "Industrial Internet" bezeichnet. Ein wesentlicher Treiber der vierten industriellen Revolution ist Machine Learning.

Das ITN MAGISTER wird Machine Learning nutzen, um die Thermoakustik in Flugzeugtriebwerksbrennkammern vorherzusagen und zu verstehen, und die Verbrennungsforschung zu einem revolutionären neuen Ansatz in diesem Bereich hinzuführen.






Methanmotoren für Personenkraftwagen
(MetCar)
Heutige Erdgasmotoren für PKW basieren auf Benzinmotoren und sind nicht konsequent für die Methanverbrennung optimiert. Mit seiner hohen Klopffestigkeit bietet bereits Erdgas gegenüber Benzin ein signifikantes Effizienzsteigerungspotenzial. Dies kann durch EE-C-Methan mit hohen Methangehalten und einer damit einhergehenden höheren Klopfresistenz (höhere Methanzahl) noch erhöht werden, da wirkungsgradsteigernde hohe Kompressionsverhältnisse bei gleichzeitig sehr hohen Aufladegraden ermöglicht werden.
Um die hohen Wirkungsgrade bei gleichbleibendem Fahr- und Verschleißverhalten zu ermöglichen, sind bei der Entwicklung eines optimierten Motors zahlreiche Teilaspekte wichtig, die umfassend im Projekt bearbeitet werden. Hierzu gehören insbesondere motortechnische Anpassungen der Spitzendruckfähigkeit, die Ladedruckerhöhung zur Vermeidung von Füllungsverlusten mit Hilfe von neuartigen Injektoren zur Gasdirekteinblasung (Methan DI) und Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, sowie ein vollvariabler Ventiltrieb. Neben den motortechnischen Entwicklungen ist auch der Einfluss der Gasbeschaffenheit von Methan, insbesondere EE-C-Methan, als Kraftstoff ein wichtiger Baustein für die Markteinführung. Hierzu wird der Einfluss der zu erwartenden Hauptkomponenten (CH4, H2) und von Spurenstoffen (schwefelhaltige Odoriermittel, Kompressorenöle) auf Komponentenverschleiß und Katalysatorwirksamkeit anhand von Teststandsversuchen untersucht.
Der dritte innovative Baustein stellen grundlegende Untersuchungen zur Vermeidung von Partikelemissionen an Methanmotoren dar. Hierbei stehen sehr kleine Partikel im Fokus.

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