Gruppe Combustion

  Gasturbine CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Die Gruppe Combustion forscht an modellbasierten Regelungskonzepten zur Ermöglichung innovativer Verbrennungsprozesse. Verbrennungsprozesse sind im industriellen Umfeld vielfach vertreten, insbesondere bei der Verwendung von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen.

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Matthias Wehr

Gruppenleiter Combustion

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+49 241 80 28015

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Durch die Gemeinsamkeiten der verschiedenartigen Verbrennungsprozesse ergeben sich übergreifende Herausforderungen für die Regelungstechnik:

  • Alle Verbrennungsprozesse sind nichtlinear.
  • Viele Verbrennungsprozesse sind inhärent instabil.
  • Verbrennungsprozesse lassen sich durch Betrachtung der verschiedenen physikalisch-chemischen Prozesse wie Brennchemie, Strömungsmechanik, Thermodynamik, und so weiter, physikalisch modellieren. Die entstehenden Modelle sind allerdings zu komplex für einen Zugang zur Anwendung in der Regelungstechnik. Daher müssen diese Modelle zum Zwecke der Regelung reduziert werden oder andere geeignete datengetriebene Modelle identifiziert werden.
  • Alle Verbrennungsprozesse sind mehrskalig: das heißt, dass die Dynamik ein und desselben Prozesses von den chemischen Reaktionen bis zu zum Beispiel dem Takt eines Ottomotors mehrere Zeitskalen abdeckt.
  Zeitskalen IRT

 
  Motorenprüfstand an der RWTH IRT/Ri/2015

  • Der Einsatz von Verbrennungsmotoren führt zu zyklischen Prozessen.
  • Die Möglichkeit von Messungen ist stark eingeschränkt. Gründe hierfür sind zum Einen, die rauen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel im Brennraum, die den Einsatz von Sensoren verhindern oder zu einem hohen Rauschsignal führen. Auch das Nichtvorhandensein von geeigneten Sensoren für hochdynamische Temperaturmessung und die Abwägung bezüglich der Kosten verhindern ebenfalls einen Einsatz von Sensoren.
  • Die Aufgabe der Regelung besteht neben der Folgeregelung, wie der Last, welche durch den Fahrerwunsch gegeben ist, auch in der Einhaltung von Grenzwerten, für Abgas- und Geräuschemissionen.
  schwarze Abgase Reise Reise (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, forscht die Gruppe Combustion an modernen regelungstechnischem Verfahren, die über die in der industriellen Praxis verbreiteten Verfahren hinausgehen.

  • Einsatz von echtzeitfähigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungen. Hierbei kann systematisch das nichtlineare, instabile Verhalten berücksichtigt werden und gleichzeitig können neben der Folgeregelung auch Grenzwerte mit berücksichtigt werden.
  • Kombination von modellprädiktiven und iterativ-lernenden Regelung für zyklische Prozesse.
  • Nichtlineare Blackbox-Identifikation für nur umständlich zu modellierende Prozessbestandteile, mittels Neuronaler Netze oder Piecewise-Affiner Modelle.
  • Erstellung von reduzierten White-Box-Modellen.
  • Nichtlineare Beobachterkonzepte, um die nicht messbaren Größen schnell und zuverlässig zu schätzen.
 
Flammenstabilisierung
Instabile Flamme und Stabilisierung
 
 

Ausgewählte abgeschlossene Projekte

  • Regelung von thermoakustischen Instabilitäten
  • Regelung von HCCI- und GCAI-Verbrennungsmotoren
  • Luftpfadregelung für 2-stufig aufgeladene Ottomotoren
  • MILD- Verbrennung in Gasturbinen