Brandbrief Nr 20 Schone en Zuinige Verbranding. mei 2013 Technologiestichting STW

Transcriptie

1 Brandbrief 2013 Nr 20 Schone en Zuinige Verbranding mei 2013 Technologiestichting STW

2 Colofon Brandbrief De brandbrief, met een oplage van 450 exemplaren, is een uitgave van het Platform van het STWtechnologieprogramma Schone en Zuinige Verbranding (SZV). De Brandbrief bericht over lopende zaken in het programma, vorderingen van onderzoek en ander nieuws van participerende bedrijven en universiteiten De uitvoering is in handen van Technologiestichting STW. Redactie Prof.dr.ir. Th.H. van der Meer Universiteit Twente Dr.L.J. Korstanje Technologiestichting STW A.M. van der Stroom Technologiestichting STW Voor een gratis abonnement op de Brandbrief kunt u zich aanmelden bij het programmabureau. De Brandbrief verschijnt één keer per jaar. Adreswijzigingen kunt u aan het programmabureau doorgeven. Programmabureau Schone en Zuinige Verbranding Postadres Technologiestichting STW Linda de Groot Schone en Zuinige Verbranding Postbus GA UTRECHT Internet clean-combustion-concepts Concept en uitgave Technologiestichting STW, Utrecht Ontwerp Room for ID s, Nieuwegein Realisatie Argante argante Amsterdam Fotografie Betrokken instellingen Druk Repro-afdeling FOM/STW-bureau Niets uit deze uitgave mag worden overgenomen of vermenigvuldigd zonder uitdrukkelijke toestemming van de redactie. STW-nummer 2013/06560/STW ISBN Samenstelling Platform Schone en Zuinige Verbranding Prof.dr.ir. Th.H. van der Meer, voorzitter Universiteit Twente Prof.dr.ir. R.S.G. Baert TNO Automotive Dr.ir. M.F.G. Cremers KEMA Nederland BV Prof.dr. L.P.H. de Goey Technische Universiteit Eindhoven Ir. B. Hakstege DAF Trucks NV Dr.ir. J.H.A. Kiel ECN Dr.ir. W. de Jong Technische Universiteit Delft Prof.dr. H.B. Levinsky DNV KEMA Energy & Sustainability Dr.ir. L. Post Shell Global Solutions International Dr.ir. P. Pronk Tata Steel Dr.ir. C.J.A. Pulles KIWA Technology Prof.dr. D.J.E.M. Roekaerts Technische Universiteit Delft Dr.ir. M.A.F. Derksen Stork Thermeq Dr. L.J. Korstanje, secretaris Technologiestichting STW 2 Brandbrief STW 2013

3 Brandbrief 2013 Nr 20 Schone en Zuinige Verbranding mei 2013 Technologiestichting STW Schone en zuinige verbranding 3

4 Inhoud 06 Voorwoord 07 1 / Artikelen 08 Fuel flexibility studies for flameless combustion in a furnace with multiple regenerative burners. Results of the CCC flexflox project E.-S. Cho, J. Lu, E.H. van Veen, W. de Jong and D.J.E.M. Roekaerts, Delft University of Technology 12 2 / Promoties 13 Development and application of a laminar coflow burner for combustion studies at high pressure Marcelo Henrique de Andrade Oliveira, Eindhoven University of Technology 15 Biomass gasification: the understanding of sulfur, tar, and char reaction in fluidized bed gasifiers Xiangmei Meng 17 Two-dimensional gas temperature measurements of fuel sprays in a high-pressure cell Miao Yu, Eindhoven University of Technology 19 Unraveling advanced compression-ignition combustion using laser diagnostics Ron Zegers, Eindhoven University of Technology 4 Brandbrief STW 2012

5 21 3 / Nieuwe STW-projecten 22 Heat2Control: In-cycle control for low CO2 combustion concepts Prof.dr.ir. M. Steinbuch, Eindhoven University of Technology 23 4 / Symposium 24 COMBURA 2013 Schone en zuinige verbranding 5

6 Voorwoord Beste Brandbrief lezer, Voor u ligt het twintigste nummer van de Brandbrief, waarmee u op de hoogte gehouden wordt van het verbrandingsonderzoek in Nederland. Het nummer is dit keer beperkt in omvang, hetgeen niet wil zeggen dat er weinig is gebeurd in het afgelopen jaar. De projecten binnen het Perspectief programma Clean Combustion Concepts lopen tegen het eind. De meeste van deze projecten zullen dit jaar worden afgerond. In dit nummer vindt u een artikel van een van deze projecten: het Delftse CCC project Fuel flexibility for flameless combustion in a furnace with multiple regenarative burners. Wilt u meer weten van dit project en van de overige 7 CCC projecten kom dan naar het COMBURA symposium op 9 en 10 oktober. Van dit symposium vindt u de eerste aankondiging in dit nummer. Evenals vorige jaren zal de eerste dag volledig gewijd zijn aan de CCC programma s. Op de website van het CCC programma kunt u een overzicht vinden van alle projecten die in dit programma worden uitgevoerd. Het web-adres is: In dit nummer zijn tenslotte samenvattingen te vinden van 4 recent afgesloten PhD projecten en een korte beschrijving van een recent gehonoreerd project. Veel leesplezier. Theo van der Meer 6 Brandbrief STW 2013

7 1 Artikelen Schone en zuinige verbranding 7

8 Fuel flexibility studies for flameless combustion in a furnace with multiple regenerative burners. Results of the CCC flexflox project E.-S. Cho, J. Lu, E.H. van Veen, W. de Jong and D.J.E.M. Roekaerts - Delft University of Technology Flameless Oxidation (FLOX [1] ) is a promising combustion technology to accomplish high efficiency and low emissions of furnaces. It is based on delayed mixing of fuel and oxidizer and high hot flue gas recirculation in the flame zone. This leads to a more distributed heat release rate during the combustion process, thereby avoiding high peak temperatures and reducing the thermal formation of NO x. The combustion process can be established using regenerative burner pairs of which one is firing and the other receiving flue gases for heat regeneration over a ceramic heat storage compartment. This results in a high preheat temperature of the combustion air so that the combustion technique results in a comparatively high thermal efficiency. The characteristics of a multi-burner flameless oxidation furnace have been investigated experimentally [2, 3] and numerically [4] in the semi-industrial 300kW th regenerative FLOX system available in the Process & Energy Laboratory of TU Delft. The burners were supplied by the company WS Wärmeprozesstechnik in Germany. Burner configurations (their positioning) and operating modes (parallel and staggered firing) have been compared in the combustion tests performed, studying their effect on furnace efficiency, emissions (NO, CO) and temperature uniformity. In the framework of the flexflox project of the STW-Clean Combustion Concepts program, experiments using two burner pairs together providing 200kW th were conducted to evaluate the characteristics of operation at partial load, more closely resembling real industrial operating conditions [5]. Figure 1 shows a schematic diagram of the furnace in two-burner pair operation. Detailed measurements of temperature fluctuations were made. To enable studies on fuel flexibility, an experimental setup for synthetic biofuel (DNG+CO 2, N 2 mixture) combustion has been designed and installed. Apart from experimental studies also CFD simulations have been made. Local temperature measurements In order to understand the factors determining furnace efficiency and emissions it is important to have knowledge of local characteristics. Detailed local experimental results reveal the influence of the mixing and combustion processes and allow the validation of CFD modeling. To meet this need, local measurements of temperature have been carried out along traverses in lateral direction (x-direction, from x=-750 mm to x= 300 mm) at three distances from the burner front end (z-direction, z=180, 250, 300 mm). The measurements were carried out using a 2m long S-type thermocouple. In addition, a measurement series along the line through the center of the fuel nozzle (z-direction) was performed. Figure 2 shows the measurement results compared with CFD results. The 3D CFD simulations used a standard set of models, including the Eddy Dissipation Concept (EDC) model for turbulencechemistry interaction [6] and were made for various operating conditions. The results, both experimental and modeling, concern the temperature averaged over rapid turbulent fluctuations. Figure 2 (a) shows the temperature contour of experimental results (left half) and numerical results (right half). The average furnace temperature is around 1000 C. The experimental result shows an ignition hot spot at 300 mm from the burner front location. The numerical simulation does not show this and predicts ignition further downstream in comparison with the experimental observations. Figure 2 (b) shows the experimental temperature data and a trendline through the data from measurements along a line starting at the center of the fuel nozzle, drawn as line (1) in Figure 2 (a). Results for two situations are given: with the burner in firing mode and in regenerating mode. As function of distance from the burner the temperature sharply increases until around 600 mm and then decreases until the opposite wall (1500 mm). The measured profile made when the burner is in firing mode shows a relatively high temperature peak despite the flameless combustion condition, but it is a lower peak than typically occurring in conventional combustion. Figure 2(b) also shows computed temperature profiles in firing mode along lines (1) and (2) in Figure 2(a). Line (2) is considered as alternative to Line (1) because it is aligned with the computed jet trajectory. The computed profiles show qualitative differences from the measured profile. In particular the presence of a local maximum in the middle of the furnace is not predicted. Temperature fluctuations In order to predict chemical conversion, in particular thermal NOx formation, the role of temperature fluctuations has to be taken into account. In order to obtain experimental information on these fluctuations Coherent anti-stokes Raman spectroscopy (CARS) [7] has been applied. The 8 Brandbrief STW 2013

9 1 1 Schematic diagram of flameless oxidation furnace in two-burner pair operation. (a) Temperature contour in half domain. (b) Temperature trends in fuel nozzle direction. 2 2 Comparison of local temperature measurements and CFD results for operation with two burner pairs in parallel firing mode. CARS measurements are nonintrusive, and give a local and instantaneous measurement. If the intrusive nature of the thermocouple measurements can be neglected, the timemean temperature available from thermocouple measurements should correspond to the time mean of a series of CARS measurements. Figure 3 shows the temperature fluctuation in flameless mode at a position in front of the fuel nozzle. The upper schematic shows the measurement position and the lower part shows the temperature trends. The green line shows the fuel flow rate and this is nonzero only during the firing period. During the measurement the average furnace temperature measured via wall-situated thermocouples (brown) is almost constant (1000 C). In the firing period the mean flame temperature slightly increases (orange line) and it decreases in the regenerating mode. CARS measurements are represented as red dots Schone en zuinige verbranding 9

10 in the firing period and as blue dots in the regenerating period. They reveal fluctuations that cannot be observed by the thermocouple. A highly relevant conclusion from the CARS measurements, to be taken into account in modeling, is that still significant temperature fluctuations are present in flameless condition, even though lower than normal turbulent flame temperature fluctuations in conventional combustion. Flameless combustion of biogas All experiments reported above were done using Dutch Natural Gas (DNG) as fuel. In the frame of the flexflox project, fuel flexibility is studied and other fuels are applied in the multi-burner system. In the furnace, at first, biogas combustion will be studied. Biogas mainly consists of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ), and in our experiments it is artificially created by mixing of DNG and CO 2. The amount of dilution is a good parameter to characterize the fuel. Here dilution will be quantified using % by volume. A mixture with 50% CO 2 dilution has a similar fuel heating value as typical biogas. It is also of interest to evaluate different dilution gases (N 2 or CO 2 ) while keeping the same heating value as these gases appear to have different effects on combustion reaction stabilization. The case of dilution with N 2 here is called N 2 biogas. Figure 4 shows the results of a comparison between DNG and 25% N 2 biogas. The thermal heat input capacity (200kW th ) and furnace temperature (1000 C) were maintained at the same value in both cases. The N 2 Biogas 25% case was not much different from the DNG case regarding the obtained efficiency and NO emissions, but the CO emission sharply decreases in the made-up biogas case. Conclusion and future work The part of the flexflox project concerning the fuel flexibility in a multiburner furnace has reveiled insight in the local characteristics of temperature fluctuations and the effects of change of fuel composition in flameless combustion. As next steps, CO 2 dilution experiments will follow and CFD models will be refined to obtain better agreement with experiments for mean temperature and to include also prediction of temperature fluctuations, and to also better understand the observed decrease of CO emission when changing from natural gas to biogas. The results will be compared with related findings in a single burner setup, the Delft Jet-in-Hot-Coflow burner, also operated in the frame of the flexflox project. 3 Temperature trends at the fuel nozzle position in flameless mode as measured using CARS Brandbrief STW 2013

11 4 4 Comparison between DNG and 25% N 2 biogas combustion experiments. [1] J.A. Wünning, J.G. Wünning. Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation. Prog. Energy Combust. Sci. 23 (1997) [2] [3] [4] [5] [6] [7] B. Danon, E.-S. Cho, W. de Jong, D.J.E.M. Roekaerts. Parametric optimization study of a multi-burner flameless combustion furnace. Applied Thermal Engineering 31 (2011) E.-S. Cho, B. Danon, W. de Jong, D.J.E.M. Roekaerts. Behavior of a 300kW th regenerative multi-burner flameless oxidation furnace. Applied Energy 88 (2011) B. Danon, E.-S. Cho, W. de Jong, D.J.E.M. Roekaerts. Numerical investigation of burner configuration effects in a multi-burner flameless combustion furnace. Applied Thermal Engineering 31 (2011) E.-S. Cho, D. Shin, J. Lu, W. de Jong, D.J.E.M. Roekaerts. Configuration effects of natural gas fired multi-pair regenerative flameless oxidation furnace on efficiency and emission. Applied Energy 107 (2013) A. Jansen. Numerical study on a multi-burner flameless oxidation furnace in relation to change in fuel composition. MSc Thesis, Process and Energy Report number 2548, TU Delft (2012). E.H. van Veen, D. Roekaerts. On the accuracy of temperature measurements in turbulent jet diffusion flames by coherent anti-stokes-raman spectroscopy. Combust. Sci. and Tech. 175 (2003) Schone en zuinige verbranding 11

12 2 Promoties 12 Brandbrief STW 2012

13 Development and application of a laminar coflow burner for combustion studies at high pressure Marcelo Henrique de Andrade Oliveira, PhD thesis, 8 mei 2012, TU/e Vloeibare brandstoffen zullen tot ver in deze eeuw een belangrijke rol spelen in onze energievoorziening. Ondanks het groeiende belang van elektrische energie in het wegvervoer, beperkt de toepassing ervan zich, zowel nu als in de afzienbare toekomst, noodzakelijkerwijs vooral tot kortere afstanden. De verklaring hiervoor ligt in de supe-rieure energiedichtheid van vloeibare brandstoffen. Vloeibare brandstoffen worden in toenemende mate gewonnen uit alternatieve bronnen zoals biomassa en aardgas (via synthese van methaan). Dit leidt tot een toenemende diversificatie van de brandstofmix. Tegelijkertijd worden steeds strengere eisen gesteld aan emissies van schadelijke stoffen uit het verbrandingsproces. Hierin schuilt een risico én een kans voor alternatieve brandstoffen: bijmenging of vervanging van fossiele brandstoffen biedt de kans om de verbrandingseigenschappen van de brandstof af te stemmen op de applicatie. Zo moeten bijvoorbeeld brandstoffen voor benzine- en dieselmotoren radicaal verschillende ontstekingseigenschappen bezitten; dit terwijl nieuwe verbrandingsconcepten als PCCI juist gebaat zijn bij ontstekingseigenschappen die zich ergens daartussenin bevinden. Door bovengenoemde ontwikkelingen blijft onderzoek naar de verbrandingseigenschappen, en vooral emissievorming, van vloeibare brandstoffen van levensbelang voor onze energievoorziening. Nu is het in de praktijk zo dat veel van het reeds gedane onderzoek is gericht op de direct applicatie (het bestuderen van emissies uit verbranding in een motor) of op een heel fundamenteel niveau, door te kijken naar verbranding van vaak ook nog gasvormige enkelvoudige brandstoffen in eenvoudige branders. Het onderzoek in dit proefschrift stelt zich tot doel om een brug te vormen tussen deze tamelijk fundamentele studies, en het toegepaste werk waarin vloeibare brandstoffen worden verbrand in, bijvoorbeeld, een verbrandingsmotor. Voor dat doel werden een drukvat en brander ontwikkeld (high pressure vessel and burner, HPVB), geïntegreerd met een voorverdampingssysteem, waarin laminaire vlammen van vloeibare brandstoffen kunnen worden bestudeerd bij drukken tot 30 bar. Door de ruime optische toegang is deze opstelling bijzonder geschikt om laserdiagnostische meetmethoden toe te passen en uit te proberen bij hogere drukken. Door het belang van dit laatste is dit onderzoek opgezet en uitgevoerd in nauwe samenwerking met prof. Marcus Aldén van de Universiteit van Lund, Zweden. Na ontwikkeling en ingebruikname van de opstelling is allereerst uitvoerig gekeken naar de stabiliteit van laminaire vlammen op de brander. Vooral vlammen van vloeibare brandstoffen bij hogere drukken blijken slechts een beperkt gebied van condities (drukken en flows) te kennen waarvoor de vlam stabiel is. Wel werd dit gebied in de loop van het onderzoek sterk uitgebreid, door diverse maatregelen te nemen in de opstelling waardoor sommige (vormen van) instabiliteiten worden onderdrukt. In een eerste meetserie op de nieuwe opstelling werd gebruik gemaakt van de LOSA (line-of-sight attenuation) meettechniek om de roetvorming van methaan bij hogere drukken te bestuderen. Hierin is de afname van de intensiteit van een laserstraal die door de vlam heen gaat, maatgevend voor de volumefractie roet in het lichtpad. Door slim gebruik te maken van de radiële symmetrie van de vlam kan, door zgn. inverse Abel transformatie, de volumefractie roet op elke locatie worden bepaald. Deze metingen dienden tevens ter validatie van de meetresultaten met literatuurdata. In verder onderzoek, uitgevoerd door de auteur aan de universiteit van Lund, werd een combinatie van meettechnieken ingezet om meerdere stoffen tegelijkertijd aan te tonen en, waar mogelijk, te kwantificeren. De technieken LII (laser induced incandescence) en LIF (laser induced fluorescence) werden ingezet, met excitatie bij verschillende golflengten. Hiermee werd een goed beeld verkregen van het verbrandingsproces van n-heptaan en n-decaan aan de hand van karakterisering van de aanwezigheid van roet, OH radicalen en PAH s (polycyclische aromatische koolwaterstoffen). Soortgelijke experimenten (gericht op karakterisering van OH en PAH s) werden gedaan aan vlammen van methaan, gedoteerd met kleine hoeveelheden benzeen en tolueen. Hierbij is bovendien een vergelijk gemaakt met een relatief Schone en zuinige verbranding 13

14 1 nieuwe numerieke methode (FGM, flamelet-generated manifold) waarin succesvol werd aangetoond dat FGM de belangrijke trends in PAH chemie juist voorspelt. 1 2D images of n-heptane flames from excitation at 266 nm for prompt detection (left) and delayed detection (right). Naast de hierboven geschetste hoofdlijn, werd het ontwikkelde drukvat ook nog ingezet voor een eerste haalbaarheidsstudie naar de toepassing van de Heat Flux methode voor het bepalen van laminaire verbrandingssnelheden bij hoge druk. Met behulp van de inzichten uit dit werk kan (en wordt) deze methode succesvol uitgebreid naar metingen aan gasvormige en vloeibare brandstoffen bij hogere druk. Al met al kan worden gesteld dat de nieuw ontwikkelde opstelling een zeer waardevolle aanvulling vormt op het spectrum van aanwezige verbrandingsopstellingen aan de TU Eindhoven, waarin het hele gebied van fundamenteel naar toegepast onderzoek in een aantal gradaties wordt bestreken. 14 Brandbrief STW 2013

15 Biomass gasification: the understanding of sulfur, tar, and char reaction in fluidized bed gasifiers Xiangmei Meng (date of promotion: 11 December 2012) This PhD work presents and discusses the experimental and modeling results of the research regarding gasification of biomass in fluidized bed gasifiers. The main objectives of this PhD research work were to effectively measure and reduce the formation of gaseous sulfur and tar compounds during biomass gasification, as well as to understand char reaction kinetics for modeling purpose, in order to improve the product gas quality and the overall gasification efficiency of the process. 1 Typical TG-Furnace simulation results. To study these three issues, a series of gasification experiments of Agrol, willow (both woody species) and DDGS (Dried Distiller s Grains and Solubles, a residue product from ethanol production) fuels were carried out using both an atmospheric 100kWth steam-o2 blown circulating fluidized bed (CFB) gasifier and a 30-40kWth steam blown pressurized bubbling fluidized bed (PBFB) gasifier. Effects of operational conditions, e.g. SBR (Steam-to-Biomass ratio), ER (Equivalence Ratio), temperature, and pressure on the formation of the produced main product gas, sulfur and tar were investigated. The main product gas and gaseous sulfur compounds were measured by using Varian GCs and a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), while tar was quantified by using an on-line tar analyzer (OTA), laser induced fluorescence specroscopy (LIFS) and off-line SPA (solid phase adsorption) sampling methods. In view of the sulfur components distribution during biomass gasification and sulfidation behavior of various sorbent materials, thermodynamic phase equilibrium simulations were performed using FactsageTM software. To determine char reaction kinetics, the gasification and combustion behaviors of CFB gasification retrieved chars and chars obtained from slow pyrolysis under inert conditions were studied by using a TGA-FTIR characterization system (thermogravimetric analysis coupled with Fourier Transform Infrared spectroscopy). A 3D TG-furnace model was built by using COMSOL MultiphysicsTM software to examine velocity and temperature profiles within the furnace under different conditions. Figure 1 shows some typical simulation results. 1 Schone en zuinige verbranding 15

16 2 2 Some simulation results concerning fluidized bed gasification compared with 100 kwth CFB gasification test results. In parallel to the experimental part, three different types of the CFB gasifier models: an equilibrium model (EM) and a kinetic model (KM) established in Aspen PlusTM software, and an own code fluidization model (FM) were developed. The self-determined biomass pyrolysis model and char reaction kinetics were implemented in the KM and FM model. The results predicted from different models were compared and validated with the experimental data. A typical sample result is shown in Figure Brandbrief STW 2013

17 Two-dimensional gas temperature measurements of fuel sprays in a high-pressure cell Dit proefschrift richt zich op experimenten om inzicht in de eerste fase van die verbrandingsprocessen te verkrijgen: hoe ziet het gedrag van een brandstofspray er uit als die geïnjecteerd wordt in lucht, onder condities zoals die zich voordoen in een praktische dieselmotor? De vraagstelling richt zich vooral op de spray, en de experimenten zijn dan ook uitgevoerd in een speciaal voor dit doel ontwikkelde hoge-drukcel met optimale optische toegankelijkheid, waarin met behulp van voorverbranding van een nauwkeurig samengesteld gasmengsel de condities binnenin een motor zo goed mogelijk kunnen worden nagebootst. Miao Yu, PhD thesis, 19 november 2012, TU/e Alle hype rondom elektrisch vervoer ten spijt, is het onwaarschijnlijk dat de interne verbrandingsmotor op afzienbare termijn uitgerangeerd zal zijn. De belangrijkste reden daarvoor is energiedichtheid van de brandstof: vloeibare organische brandstoffen (zoals dieselolie en benzine) steken ver boven de alternatieven, zoals accu s en batterijen, uit. Voor zwaar transport lucht- en scheepvaart, vrachtverkeer op de weg zijn er feitelijk geen alternatieve energiebronnen, noch beschikbaar, noch in het nabije vooruitzicht. Er is dus alle reden om verder te werken aan de ontwikkeling van efficiëntere en schonere methoden om diesel-achtige brandstoffen te verbranden. In het proefschrift wordt het principe van deze voorverbranding beschreven en gemodelleerd. Bij de experimenten aan de brandstofspray wordt vooral gekeken naar de temperatuurverdeling: hoe ziet het temperatuurveld eruit waarin de brandstof wordt geïnjecteerd, en hoe beïnvloedt die injectie zelf dat temperatuurveld? Metingen van temperatuurverdelingen zijn geen sinecure, en in feite bestaat er op dit moment geen techniek die betrouwbaar en reproduceerbaar temperaturen meet gedurende verbrandingsprocessen. In het onderhavige geval is gebruik gemaakt van recente ontwikkelingen, die zijn aangepast en uitgebreid voor het specifieke doel. Iedere brandstofinjectie is een unieke, kortlevende gebeurtenis, en alles wat ervoor van belang is moet dan ook vrijwel instantaan gemeten worden. Dat stelt hoge eisen aan de gebruikte technieken. Omdat het doel is om instantaan de 2-D temperatuurverdeling te meten, bijvoorbeeld in een vlak dat de centrale spray-as bevat, maken we gebruik van indirecte methoden. Niet de temperatuur zelf wordt gemeten, maar een geoptimaliseerde verklikker, die makkelijker meetbaar is maar wel eenduidig gelinkt aan de temperatuur. Twee verklikkers zijn onderzocht: tolueen en thermofosfor. Tolueen is een vloeistof met een relatief hoge dampdruk, die met de brandstof mee geïnjecteerd kan worden en dan snel verdampt. Het is bovendien een stof die relatief gemakkelijk tot fluoresceren gebracht kan worden (daar heb je wel een excimeerlaser voor nodig). Het spectrum van deze fluorescentie hangt af van de temperatuur, en daarin schuilt de gewenste verklikker. 1 1 Schematische weergave van de experimentele opstelling, HPC = High Pressure Call. Schone en zuinige verbranding 17

18 De methode bleek slechts matig geschikt voor het doel. Tolueen overleeft de voorverbranding niet, en moet dus met de brandstof mee geïnjecteerd worden. Fluorescentiemetingen leveren dan weliswaar fraaie foto s op, maar de interpretatie daarvan wordt gehinderd door mogelijke interferentie van de vloeistoffase. 2 Een tweede benadering is gebaseerd op thermofosfor poeder. Thermofosforen zijn (meestal keramische) materialen die, na blootstelling aan UV straling, licht uitzenden waarvan het spectrum afhankelijk is van de temperatuur van het materiaal. Als die afhankelijkheid eenmaal bekend is, dan kan het spectrum verder gebruikt worden als maat voor de temperatuur. Thermofosforen werden vooral gebruikt als coating op oppervlakken, om zo de oppervlakte-temperatuur te meten. Maar keramische fosforen zouden ook bestand moeten zijn tegen verbranding. Door thermofosforpoeder te gebruiken, met voldoende kleine deeltjesgrootte om snelle temperatuurequilibratie met de omgeving te bewerkstelligen, zou het mogelijk moeten zijn om de temperatuurverdeling in heet gas (in ons geval het residu na de voorverbranding in de hoge-drukcel) te meten. Dat concept is getest en blijkt goed te werken. 3 2 Temperatuurverdeling in de hoge-druk cel voor brandstofspray onderzoek. De schuine zwarte lijnen begrenzen het visualisatiegebied. 3 Comparison between temperature distribution in the HPC, given as a temperature difference between the ambient temperature and velocity fields obtained with LES. The black rectangle in the top left image represents the laser sheet area. Toluene outside this rectangle is excited by multiple scattering. The velocity vectors are colored according to temperature. The limited field of view of the experimental setup prohibits visualization of the complete spray at 2.58 and 3.58 ms. The solid black line in the LES defines where the mass fraction of the fuel is Y fuel = Brandbrief STW 2013

19 Unraveling advanced compression-ignition combustion using laser diagnostics Ron Zegers, PhD thesis, 28 augustus 2012, TU/e Interne verbrandingsmotoren, en dan met name Dieselmotoren, zijn nu en in de afzienbare toekomst de belangrijkste mobiele krachtbronnen. Zonder overdrijving kunnen we stellen dat het overgrote deel van de transportsector denk aan vrachtverkeer over de weg, vliegtuigen, schepen functioneert dankzij verbrandingsmotoren. Weliswaar zijn er allerlei ontwikkelingen op het gebied van elektrisch vervoer, maar de belangrijkste flessehals, energiedichtheid, zal naar het zich laat aanzien de komende decennia nog in het voordeel van de verbrandingsmotoren uitvallen. De energiedichtheid van vloeibare, organische brandstof, zoals dieselolie en benzine, steekt ver boven die van andere energiebronnen, zoals accu s of gasvormig waterstof, uit. Dat wil niet zeggen dat die vloeibare brandstoffen altijd fossiel zullen blijven, en evenmin dat onderzoek naar efficiëntere en schonere verbranding stil staat. Integendeel, er is op dit moment veel lopend onderzoek naar manieren om op duurzame wijze vloeibare brandstoffen te maken, bijv. uit houtof plantenafval, of uit aardgas, en naar manieren om die brandstoffen schoner en efficiënter dan op dit moment mogelijk is te verbranden. 1 1 Optisch toegankelijke dieselmotor, waarin stroming en verbranding met een groene laser wordt zichtbaar gemaakt. Motorenonderzoek richt zich sterk op nieuwe verbrandingsconcepten, grotendeels samen te vatten onder de term lage-temperatuur verbranding (LTV). Waar op dit moment schadelijke emissies van motoren worden afgevangen door uitlaatgasbehandeling, is de idee dat bij LTV de schadelijke emissies niet eens gevormd worden, en nabehandeling van de uitlaatgassen dus niet nodig is. Hoewel dit principe aantoonbaar werkt, is het in de praktijk een probleem om het betrouwbaar en efficiënt te implementeren. Ook het fundamentele begrip van de processen die bij LTV een rol spelen laat nog te wensen over. Het in dit proefschrift beschreven onderzoek richt zich vooral op de fundamentele aspecten van LTV, en de ontwikkeling van meettechnieken voor het bepalen van karakteristieke grootheden binnenin de verbrandingskamer van een zo realistisch mogelijke dieselmotor. Een van de open vragen betreft de ontsteking van brandstof/ lucht-mengsels in een dieselmotor. De ruimtelijke verdeling van lucht (oxidator), brandstof en temperatuur speelt daarbij een cruciale rol, en in dit proefschrift worden experimenten beschreven om daar inzicht in te krijgen. Schone en zuinige verbranding 19

20 Φ=143 Cylinder head Laser sheet 350 CAD 340 CAD 330 CAD TDC 2 2 Schematisch beeld van de doorsnede van de optisch toegankelijke motor: groene laserstraal wordt via de doorzichtige cilinderwand ingebracht, waardoor de verbranding van de (blauw gekleurde) dieselstraal wordt gevisualiseerd via de optisch toegankelijke zuigerkom aan de onderkant. In de figuur eronder wordt Het gevisualiseerde beeld weer gegeven. Een belangrijk nieuw aspect aan het onderzoek is dat een deel van de metingen met een dusdanig grote tijdsresolutie is uitgevoerd, dat de ontwikkelingen binnen een enkele cyclus van de motor gevolgd kunnen worden. Metingen van het 2-D stromingsveld van de lucht in de verbrandingskamer met behulp van Particle Image Velocimetry (PIV) toonden aan dat brandstofinjectie lokaal grote gevolgen heeft voor het stromingspatroon, maar dat die effecten later in de cyclus weer verdwijnen. Ook de variatie tussen stromingspatronen in opeenvolgende cycli neemt toe naarmate meer brandstof wordt ingespoten. Die variatie neemt echter af als de brandstofinjectie opgedeeld wordt in een aantal korte, snel opeenvolgende injecties. Hiermee kan mogelijk een beter reproduceerbaar ontstekingsgedrag gerealiseerd worden. Meting van de temperatuurverdeling binnenin een motor is een soort heilige graal binnen het experimentele verbrandingsonderzoek. Een recente, veelbelovende ontwikkeling is gebaseerd op het bijmengen van tolueen in de inlaatlucht. Het fluorescentiespectrum van tolueen verschuift als functie van temperatuur, en kan daarmee als maat voor de temperatuur dienen. De techniek zou het in principe mogelijk maken om instantaan de temperatuur in een heel vlak te meten, maar ze is niet eenvoudig te implementeren. Het is niettemin gelukt om temperatuurveldmetingen te doen vlak voor en tijdens brandstofinjectie. Door tolueen in de brandstof te mengen, in plaats van in de inlaatlucht, kan deze techniek ook gebruikt worden om de verdeling van de geïnjecteerde brandstof zichtbaar te maken. Duidelijk is echter wel dat de heilige graal nog niet gevonden is. 20 Brandbrief STW 2012