Poussés par les réglementations « anti-pollution », les industriels automobiles sont incités à développer des véhicules plus propres et sobres en consommation. Ces dernières années, la dépollution des véhicules n'a cessée d'être améliorée, en optimisant le traitement des polluants des moteurs actuels, mais aussi en développant des solutions alternatives. C'est dans ce contexte que les deux études ont étés menées. Cette étude s'est d'abord intéressée à l'optimisation du fonctionnement du catalyseur trois voies. Ce système est le principal organe de dépollution des motorisations essence, il est capable de convertir les trois principaux polluants réglementés (oxydes d'azote, monoxyde de carbone et hydrocarbures imbrûlés) en gaz non nocifs pour la santé. On s'est intéressé à la modélisation orientée contrôle de ce réacteur chimique, le modèle développé à permis d'élaborer les outils nécessaires au contrôleur pour lui permettre de prendre en compte les dynamiques internes du catalyseur trois voies. L'étude s'est ensuite focalisée sur le contrôle multivariable robuste d'une chaîne d'air turbocompressée d'un moteur essence selon les approches des systèmes linéaires à commutation et à paramètres variant. Le contrôle robuste permet au système de chaîne d'air d'admettre au plus juste la quantité d'air admis dans la chambre de combustion en prenant en compte les éventuelles perturbations. / Forced by more and more severe normative, automotive industrials have to develop clean and energy-efficient vehicles. During the last decades, after-treatment system has been improved and alternative solutions have been found. The two presented studies have been lead in this context. The first study has been focused on the performance optimization of the three ways catalyst. This after-treatment system is able to convert the three main pollutants limited by the normative (nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbon) into harmless gases. The purpose of this study is to develop a mathematical reduced order model for the three ways catalyst focused on the oxygen storage-release dynamics. From this model, an observer for the oxygen storage rate estimation has been developed. Based on this tool, three ways catalyst converter controller will be able to take into account the internal dynamics. The second study deals with the multivariable robust control of a supercharged air path system for a spark ignition engine according to two approaches: the switched linear system and the linear parameter varying system. With robust control, the air path system will inject the right amount of air entering the combustion chamber by taking into account possible disruptions.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Einsatz von Hochleistungskeramiken im Bereich der Gleitlagertechnik. Dabei liegt der Fokus auf das keramikgerechte Design, welches die umge-bende Struktur mit einbezieht. Insbesondere die Einbettung aber auch der Bolzen sind durch konstruktive Maßnahmen zu adaptieren, sodass eine möglichst geringe Zugspannung unter Last im keramischen Werkstoff entsteht. Parameterstudien mit Hilfe der FEM erlauben die Aufstellung von Anforderungen an das Design nach dem Kriterium des Spannungsminiums und in Abhängigkeit der Lagergröße und -belastung sowie des verwendeten keramischen Werkstoffes. Eine experimentelle Validierung des keramikgerechten Designs bestätigt eine statische und dynamischer Tragfähigkeit bis mindestens 150 N/mm². Weiterhin wird ein Weg eines fluidfreien und wartungsfreien Tribologiesystems für keramische Werkstoffe aufgezeigt, das einen geringen Reibwert von kleiner 0,1 und einen nicht messbaren Verschleiß aufweist. Optimierungspotenzial besteht hinsichtlich des erreichbaren Gleitweges. Abschließend wird eine Berechnungsvorschrift zur Dimensionierung eines keramischen Gleitlagers gegeben.:Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis XI Symbole und Abkürzungen XII 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 2.1 Technische Merkmale und Marktanalyse heutiger Gleitlager 3 2.2 Keramische Werkstoffe 7 2.3 Hochleistungskeramik in hochbeanspruchten Gleitanwendungen sowie Präzisierung der Aufgabenstellung und angewandten Methoden 14 3 Berechnungsmethoden für keramische Werkstoffe 18 3.1 Spannungszustand im keramischen Bauteil 18 3.2 Zulässige Spannung und Sicherheitsbeiwert für keramische Werkstoffe 20 3.3 Lebensdauerbestimmung mittels Messmethoden 24 4 Mechanisches Design eines keramischen Gleitlagers (mechanische Lebensdauer) 26 4.1 Verbindungselement Koppelstange und typische Lastsituationen 26 4.2 Konstruktive Voraussetzungen für eine rein elastische Beanspruchung 27 4.3 Parameterstudien zu konstruktiven Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanische Beanspruchung 30 4.3.1 Einfluss der Fertigungsqualitäten des Lagersitzes 31 4.3.2 Einfluss der Gleitlagerbuchsen- und Einbettungssteifigkeit 32 4.3.3 Einfluss der Bolzenballigkeit 36 4.3.4 Einfluss der Einbettungsbauform 36 4.3.5 Einfluss der Lagerbelastung und des Nenndurchmessers 40 4.3.6 Einfluss der Lagerluft 41 4.3.7 Weitere Parameterstudien 42 4.4 Ableitung von Konstruktions- und Werkstoffanforderungen 43 4.5 Experimentelle Festigkeitsuntersuchung 45 4.5.1 Prüfstandsvorrichtungen 46 4.5.2 Proben zur Festigkeitsuntersuchung und Messprogramm 47 4.5.3 Statische und dynamische Tragfähigkeit keramischer Gleitlager 49 5 Design eines fluidfreien und reibwertreduzierten Tribologiesystems (tribologische Lebensdauer) 51 5.1 Allgemeine und keramische Tribologie 53 5.2 Zusammenfassung tribologischer Kennwerte einer Si3N4-Stahl-Paarung 57 5.3 Möglichkeiten zur Reibwert- und Verschleißreduzierung 59 5.4 Experimentelle Analyse des Tribologiesystems 65 5.4.1 Tribologiesystem und Abbruchkriterien 65 5.4.2 Tribologische Proben und Messprogramm 69 5.4.3 Ergebnisse zum Reibwert und zum erzielbaren Gleitweg 74 5.4.4 Verschleißzustände und tribologisches Verhalten 78 5.4.5 Diskussion der tribologischen Ergebnisse 83 6 Berechnungsvorschrift zu rein elastisch beanspruchten Gleitlagerbuchsen nach dem Spannungsminimum 85 7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 90 8 Ausblick 93 Literaturverzeichnis 95 Anlagenverzeichnis 97 / This paper describes an application of ceramics in the plain bearing technology. The main issue is the specific ceramic design including the surrounding structure. Especially the embedding as well as the bold have to be adapted to minimize the tensile stress of the ceramic in operation. Parametric studies based on FEM allowing to define the design requirements depending on the criteria of minimum stress, size of bearing, bearing load and ceramic material. Experiments verify the ceramic design regarding to a static and dynamic load rating of 150 N/mm². Furthermore an opportunity is shown to create a fluid free and maintenance-free tribology system for ceramics which has a coefficient of friction less than 0,1 and a not measurable wear. The sliding distance limit has to be optimize. In summary it is given a calculation regula-tion to dimension a ceramic plain bearing.:Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis XI Symbole und Abkürzungen XII 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 2.1 Technische Merkmale und Marktanalyse heutiger Gleitlager 3 2.2 Keramische Werkstoffe 7 2.3 Hochleistungskeramik in hochbeanspruchten Gleitanwendungen sowie Präzisierung der Aufgabenstellung und angewandten Methoden 14 3 Berechnungsmethoden für keramische Werkstoffe 18 3.1 Spannungszustand im keramischen Bauteil 18 3.2 Zulässige Spannung und Sicherheitsbeiwert für keramische Werkstoffe 20 3.3 Lebensdauerbestimmung mittels Messmethoden 24 4 Mechanisches Design eines keramischen Gleitlagers (mechanische Lebensdauer) 26 4.1 Verbindungselement Koppelstange und typische Lastsituationen 26 4.2 Konstruktive Voraussetzungen für eine rein elastische Beanspruchung 27 4.3 Parameterstudien zu konstruktiven Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanische Beanspruchung 30 4.3.1 Einfluss der Fertigungsqualitäten des Lagersitzes 31 4.3.2 Einfluss der Gleitlagerbuchsen- und Einbettungssteifigkeit 32 4.3.3 Einfluss der Bolzenballigkeit 36 4.3.4 Einfluss der Einbettungsbauform 36 4.3.5 Einfluss der Lagerbelastung und des Nenndurchmessers 40 4.3.6 Einfluss der Lagerluft 41 4.3.7 Weitere Parameterstudien 42 4.4 Ableitung von Konstruktions- und Werkstoffanforderungen 43 4.5 Experimentelle Festigkeitsuntersuchung 45 4.5.1 Prüfstandsvorrichtungen 46 4.5.2 Proben zur Festigkeitsuntersuchung und Messprogramm 47 4.5.3 Statische und dynamische Tragfähigkeit keramischer Gleitlager 49 5 Design eines fluidfreien und reibwertreduzierten Tribologiesystems (tribologische Lebensdauer) 51 5.1 Allgemeine und keramische Tribologie 53 5.2 Zusammenfassung tribologischer Kennwerte einer Si3N4-Stahl-Paarung 57 5.3 Möglichkeiten zur Reibwert- und Verschleißreduzierung 59 5.4 Experimentelle Analyse des Tribologiesystems 65 5.4.1 Tribologiesystem und Abbruchkriterien 65 5.4.2 Tribologische Proben und Messprogramm 69 5.4.3 Ergebnisse zum Reibwert und zum erzielbaren Gleitweg 74 5.4.4 Verschleißzustände und tribologisches Verhalten 78 5.4.5 Diskussion der tribologischen Ergebnisse 83 6 Berechnungsvorschrift zu rein elastisch beanspruchten Gleitlagerbuchsen nach dem Spannungsminimum 85 7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 90 8 Ausblick 93 Literaturverzeichnis 95 Anlagenverzeichnis 97