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Ma thèse en automatique s’inscrit dans la thématique de recherche «Transport» du LAMIH. L’objectif est d’améliorer le fonctionnement des moteurs thermiques (essence), notamment en réduisant la consommation et la pollution. Face à cet enjeu écologique et économique, et compte tenu des nouvelles normes et des stratégies court-termistes de l’industrie (scandale Volkswagen...), de nouveaux contrôleurs doivent être conçus pour piloter l’arrivée d’air et d’essence au sein du moteur. En considérant l’aspect hautement non-linéaire du système, la représentation Takagi-Sugeno et le background théorique du LAMIH sont utilisés. Un premier contrôleur est synthétisé pour régler le problème de la vitesse de ralenti du moteur. Cependant, la complexité du système impose l’utilisation d’un contrôleur très coûteux d’un point de vue computationnel. Un contrôleur alternatif est donc synthétisé afin d’être implémenté dans l’ordinateur embarqué du moteur. Un second contrôleur est obtenu pour maintenir la richesse en proportions stoechiométriques afin de réduire la pollution. Ce système étant sujet à un retard de transport variable, un changement de domaine est réalisé afin de rendre ce retard constant, et de concevoir un contrôleur simple et efficace. Des essais réels sur le banc d’essai moteur du LAMIH sont réalisés afin de valider la méthodologie présentée. / My PhD in Automatic Control is part of the research theme “Transport” of the LAMIH. The objective is to improve the functioning of the gasoline engines, mainly by reducing the fuel consumption and the pollution. With this ecologic and economic challenge, and taking into account the new norms and the short-term strategies of the industry (scandal of Volkswagen...), new controllers have to be designed to control the air valve and the fuel injection inside the engine. Considering the highly nonlinear aspect of the system, the Takagi-Sugeno representation and the theoretical background of the LAMIH have been used. A first controller is designed to solve the problem of idle engine speed. However, the complexity of the system forces the use of a controller that is very costly from a computational point of view. An alternative controller is then designed in order to be implemented inside the embedded computer of the engine. A second controller is obtained to maintain the air-fuel ratio in stoichiometric proportions in order to reduce the pollution. This system being subject to a variable transport delay, a change of domain is realized to make this delay constant, and to design a simple and efficient controller. Real-time experiments have been realized on the engine test bench of the LAMIH in order to validate the presented methodology.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.