Ein neuer Ansatz zur Zustandsraumdarstellung, Systemanalyse und Regelung von Drei-Wege-Autoabgaskatalysatoren

Die vorliegende Arbeit richtet sich an Ingenieure und Wissenschaftler, die im Bereich der Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren tätig sind. Sie umfasst den Entwurf einer Lambdaregelung, die neuartige Modellierung und die systemtheoretische Analyse eines Drei-Wege-Katalysators sowie den Entwurf und den Vergleich von linearen und nichtlinearen Reglern für den Katalysator. Das Katalysatormodell und einige der entworfenen Regler werden an einem Laborprüfstand verifiziert. Das neue Konzept der Gewichtsfunktionen ermöglicht die Transformation von physikochemischen Katalysatormodellen in den Zustandsraum und damit die Nutzung der bewährten Werkzeuge der Regelungstechnik. Die Darstellung im Zustandsraum erlaubt die Berechnung von Strukturmaßen und damit den quantitativen Vergleich verschiedener Betriebspunkte oder Katalysatoren miteinander. Des Weiteren werden der Reglerentwurf mittels exakter Ein-/Ausgangslinearisierung oder die modellbasierte Parametrierung eines LQ-Reglers ermöglicht. Die Methoden in dieser Dissertation können auch auf andere Katalysatortypen oder chemische Systeme angewendet werden.

This work is addressed to engineers and scientists working in the area of exhaust gas aftertreatment of combustion engines. It includes the design of an air-fuel ratio control circuit, the novel modeling and the theoretical analysis of a three-way automotive catalyst, as well as the design and the comparison of linear and nonlinear controllers for the catalyst. The catalyst model and some of the designed controllers are verified at a laboratory test bench. The novel concept of weighting functions allows the transformation of physical-chemical catalyst models into the state-space and thus the use of the proven tools of the control engineering. The representation in the state-space allows the calculation of measures of various system characteristics and thus the quantitative comparison of different operating points or catalysts with each other. Furthermore, the controller design by means of exact input/output-linearization and the model-based parameterization of an LQ controller are made possible. The methods in this dissertation can also be applied to other types of catalysts or chemical systems.