Pour satisfaire les exigences environnementales et d'agrément de conduite, le moteur automobile a évolué en une vingtaine d'années en un système très complexe combinant de nombreux composants de haute technologie avec des stratégies de contrôle très élaborées. L’optimisation et le contrôle de ce système sont alors devenus de véritables challenges pour les constructeurs automobiles. Ces derniers points sont aujourd'hui d'autant plus complexes que le contexte actuel de raréfaction des ressources impose de plus en plus le couplage ou le remplacement des carburants conventionnels par des carburants alternatifs tels que l’éthanol, le gaz naturel ou encore l’hydrogène. Ces nouveaux carburants présentent, en plus de leur intérêt économique, un certain nombre de propriétés physico-chimiques favorisant un meilleur rendement du moteur ainsi que la réduction des gaz à effet de serre. L’élaboration de ces nouveaux moteurs est finalement rendue possible par l'utilisation de dispositifs physiques et numériques de plus en plus sophistiqués. Dans ce contexte, les outils de simulation système destinés aux groupes motopropulseurs se sont démocratisés et peuvent aujourd'hui être utilisés à toutes les étapes de développement des moteurs, du choix de l’architecture au développement des stratégies de contrôle et à la calibration. Cependant, l'efficacité de tels outils demande encore à être améliorée afin de fournir un haut niveau de prédictivité couplé à un temps de calcul proche du temps réel. Les travaux réalisés lors de cette thèse ont visé à contribuer au développement du modèle de combustion 0-dimensionnel CFM1D (Coherent Flame Model) afin d’améliorer la prédiction du dégagement d'énergie, des polluants et des phénomènes d'auto-inammation (AI) dans les moteurs à allumage commandé lorsque des variations de la composition du carburant sont considérées. Le formalisme CFM distingue deux zones : les gaz frais et les gaz brûlés qui sont séparés par un front de flamme et qui sont entièrement décrits par leur masse, température et composition. Dans ce formalisme, le taux de consommation des espèces est directement lié aux processus de combustion et de post-oxydation assujettis aux mécanismes de chimie et de turbulence. Dans la version initiale du CFM1D, ces mécanismes sont représentés par des approches simples pouvant souffrir d'un manque de prédictivité. Ainsi, la prédiction de la formation de polluants peut être limitée par les chimies simples ou réduites la décrivant. Ces dernières sont en effet généralement définies dans des domaines de validité restreints en température, pression et composition. De la même manière, le calcul de la vitesse de flamme laminaire, de l'étirement de la flamme ou encore des éventuels délais d'auto-inammation intervenant dans l'évaluation du dégagement d'énergie met en jeux des corrélations phénoménologiques initialement développées sur un nombre limités de points de validation. Toutes ces limitations peuvent finalement entraîner une mauvaise réaction du modèle de combustion à des variations thermodynamiques ou de compositions et ont donc nécessite un certain nombre d'améliorations présentées dans ce manuscrit. L'originalité des développements réside dans l'intégration de chimie complexe dans le modèle CFM1D en utilisant des méthodes inspirées de récents travaux de CFD (Computational Fluid Dynamics) 3D. / A promising way to reduce green house gases emissions of spark ignition (SI) engines is to burn alternative fuels like bio-mass-derived products, hydrogen or compressed natural gas. However, their use strongly impacts combustion processes in terms of burning velocity and emissions. Specific engine architectures as well as dedicated control strategies should then be optimized to take advantage of these fuels. Such developments are today increasingly performed using complete engine simulators running in times close to the real time and thus requiring very CPU efficient models. For this purpose, 0-dimensional models are commonly used to describe combustion processes in the cylinders. These models are expected to reproduce the engine response for all possible fuels, which is not an obvious task regarding the mentioned CPU constraints. Works performed in this thesis aimed at developing the 0-dimensional combustion model CFM1D (Coherent Flame Model) to improve the prediction of heat release, pollutants emissions and auto-ignition phenomena in SI engines when fuel composition variations are considered. The CFM formalism distinguishes two zones: the fresh and the burnt gases, which are separated by a flame front and are both described by their temperature, mass and composition. In this formalism, the rate of consumption of species is directly linked to the combustion and post-oxidation processes highly dependent on chemistry and turbulence mechanisms. In the original version of CFM1D, these mechanisms are represented by simple approaches which can suffer from a lack of predictivity. The prediction of pollutant formation can therefore be limited by the simple or reduced chemistries used to describe kinetics in the chamber. These latter are indeed defined in very restrictive validity domains in terms of temperature, pressure and composition. In the same way, the flame velocity, wrinkling or potential auto-ignition delays stepping in the heat release computation are defined by phenomenological correlations initially developed under a limited number of validation points. All these limitations can finally lead to a wrong behavior of the combustion model to thermodynamic and compositions variations and therefore required a number of improvements presented in this manuscript. The originality of the model derives from the fact it is based on the integration of complex chemistry in CFM1D using methods inspired from recent 3D (Computational Fluid Dynamics) CFD works.

A velocidade de queima laminar adiabática de reações de combustão é um parâmetro chave, relacionado à cinética química do combustível, a qual define características importantes como a forma e a faixa de estabilidade de uma chama. Nos últimos anos, um grande esforço vem sendo direcionado para a determinação precisa desse parâmetro para diferentes combustíveis, porém a grande diversidade de técnicas e metodologias de medição existente acarreta em uma grande dispersão entre os resultados encontrados na literatura. Dentre as várias técnicas disponíveis, o método do fluxo de calor destaca-se por fornecer medidas de velocidade de chama adiabática com boa precisão. O método, diferentemente dos demais existentes, não depende de extrapolações e é capaz de obter chamas aproximadamente adiabáticas. Neste estudo, foi construída uma bancada de trabalho baseada no método do fluxo de calor com a finalidade de medir a velocidade de chama plana laminar adiabática de diferentes misturas entre combustível e comburente. Foram realizadas medições para pré-misturas metano/ar e gás natural/ar em diferentes razões de equivalência (0,65 a 1,5) para a temperatura de 298 K e pressão atmosférica. Uma análise das possíveis fontes de erro é apresentada utilizando-se 95 % de intervalo de confiança, resultando em uma incerteza de 2,8 % para a pré mistura estequiométrica metano/ar para a qual a velocidade de chama encontrada foi de 35,4 cm/s. Nas mesmas condições, para a mistura gás natural/ar foi obtido o resultando de 34,8 cm/s, para a proporção estequiométrica com uma incerteza de 3,1 %. O experimento apresenta incertezas de medição tanto maiores quanto mais afastadas da condição estequiométrica a chama se apresenta, chegando a 20 % para chamas ricas com razão de equivalência 1,5. As medições obtidas para diferentes razões de equivalência mostram-se de acordo com os resultados encontrados na literatura, apresentando valor absoluto e de incertezas dentro dos padrões do método. / The adiabatic laminar burning velocity of a fuel/oxidant mixture is a key parameter in combustion. It defines important flame characteristics like its shape and stability range. In the last years, a great effort has been employed on the precise determination of this parameter for different fuels. The diversity of techniques and extrapolation methods for achieving adiabatic flame data results in the large scatter found in literature. Among various techniques available, the heat flux method is known to provide adiabatic burning velocity measurements with good accuracy. The method does not depend on extrapolations and is able to produce flames that closely reach the adiabatic condition. In this study, a workbench was built based on the heat flux method aiming at measuring the adiabatic laminar flame velocity of different fuel and oxidant mixtures. Data were obtained for methane/air and natural gas/air mixtures for different equivalence ratios (0.65 to 1.5) at 298 K and 1 atm. An analysis of possible error sources is also presented using 95% of confidence interval. For a soichiometric methane/air mixture the flame speed was found to be 35.4 cm/s with 2.8% of uncertainty. Under the same conditions, for a stoichiometric natural gas/air mixture the value obtained was 34.8 cm/s with an uncertainty of 3.1%. The experiment shows that the uncertainties increase as the premixture deviates from the stoichiometric condition, reaching 20% for an equivalence ratio of 1.5. The measurements obtained for different equivalence ratios are consistent with results found in the literature and with acceptable uncertainties for the method.

A velocidade de queima laminar adiabática de reações de combustão é um parâmetro chave, relacionado à cinética química do combustível, a qual define características importantes como a forma e a faixa de estabilidade de uma chama. Nos últimos anos, um grande esforço vem sendo direcionado para a determinação precisa desse parâmetro para diferentes combustíveis, porém a grande diversidade de técnicas e metodologias de medição existente acarreta em uma grande dispersão entre os resultados encontrados na literatura. Dentre as várias técnicas disponíveis, o método do fluxo de calor destaca-se por fornecer medidas de velocidade de chama adiabática com boa precisão. O método, diferentemente dos demais existentes, não depende de extrapolações e é capaz de obter chamas aproximadamente adiabáticas. Neste estudo, foi construída uma bancada de trabalho baseada no método do fluxo de calor com a finalidade de medir a velocidade de chama plana laminar adiabática de diferentes misturas entre combustível e comburente. Foram realizadas medições para pré-misturas metano/ar e gás natural/ar em diferentes razões de equivalência (0,65 a 1,5) para a temperatura de 298 K e pressão atmosférica. Uma análise das possíveis fontes de erro é apresentada utilizando-se 95 % de intervalo de confiança, resultando em uma incerteza de 2,8 % para a pré mistura estequiométrica metano/ar para a qual a velocidade de chama encontrada foi de 35,4 cm/s. Nas mesmas condições, para a mistura gás natural/ar foi obtido o resultando de 34,8 cm/s, para a proporção estequiométrica com uma incerteza de 3,1 %. O experimento apresenta incertezas de medição tanto maiores quanto mais afastadas da condição estequiométrica a chama se apresenta, chegando a 20 % para chamas ricas com razão de equivalência 1,5. As medições obtidas para diferentes razões de equivalência mostram-se de acordo com os resultados encontrados na literatura, apresentando valor absoluto e de incertezas dentro dos padrões do método. / The adiabatic laminar burning velocity of a fuel/oxidant mixture is a key parameter in combustion. It defines important flame characteristics like its shape and stability range. In the last years, a great effort has been employed on the precise determination of this parameter for different fuels. The diversity of techniques and extrapolation methods for achieving adiabatic flame data results in the large scatter found in literature. Among various techniques available, the heat flux method is known to provide adiabatic burning velocity measurements with good accuracy. The method does not depend on extrapolations and is able to produce flames that closely reach the adiabatic condition. In this study, a workbench was built based on the heat flux method aiming at measuring the adiabatic laminar flame velocity of different fuel and oxidant mixtures. Data were obtained for methane/air and natural gas/air mixtures for different equivalence ratios (0.65 to 1.5) at 298 K and 1 atm. An analysis of possible error sources is also presented using 95% of confidence interval. For a soichiometric methane/air mixture the flame speed was found to be 35.4 cm/s with 2.8% of uncertainty. Under the same conditions, for a stoichiometric natural gas/air mixture the value obtained was 34.8 cm/s with an uncertainty of 3.1%. The experiment shows that the uncertainties increase as the premixture deviates from the stoichiometric condition, reaching 20% for an equivalence ratio of 1.5. The measurements obtained for different equivalence ratios are consistent with results found in the literature and with acceptable uncertainties for the method.

A velocidade de queima laminar adiabática de reações de combustão é um parâmetro chave, relacionado à cinética química do combustível, a qual define características importantes como a forma e a faixa de estabilidade de uma chama. Nos últimos anos, um grande esforço vem sendo direcionado para a determinação precisa desse parâmetro para diferentes combustíveis, porém a grande diversidade de técnicas e metodologias de medição existente acarreta em uma grande dispersão entre os resultados encontrados na literatura. Dentre as várias técnicas disponíveis, o método do fluxo de calor destaca-se por fornecer medidas de velocidade de chama adiabática com boa precisão. O método, diferentemente dos demais existentes, não depende de extrapolações e é capaz de obter chamas aproximadamente adiabáticas. Neste estudo, foi construída uma bancada de trabalho baseada no método do fluxo de calor com a finalidade de medir a velocidade de chama plana laminar adiabática de diferentes misturas entre combustível e comburente. Foram realizadas medições para pré-misturas metano/ar e gás natural/ar em diferentes razões de equivalência (0,65 a 1,5) para a temperatura de 298 K e pressão atmosférica. Uma análise das possíveis fontes de erro é apresentada utilizando-se 95 % de intervalo de confiança, resultando em uma incerteza de 2,8 % para a pré mistura estequiométrica metano/ar para a qual a velocidade de chama encontrada foi de 35,4 cm/s. Nas mesmas condições, para a mistura gás natural/ar foi obtido o resultando de 34,8 cm/s, para a proporção estequiométrica com uma incerteza de 3,1 %. O experimento apresenta incertezas de medição tanto maiores quanto mais afastadas da condição estequiométrica a chama se apresenta, chegando a 20 % para chamas ricas com razão de equivalência 1,5. As medições obtidas para diferentes razões de equivalência mostram-se de acordo com os resultados encontrados na literatura, apresentando valor absoluto e de incertezas dentro dos padrões do método. / The adiabatic laminar burning velocity of a fuel/oxidant mixture is a key parameter in combustion. It defines important flame characteristics like its shape and stability range. In the last years, a great effort has been employed on the precise determination of this parameter for different fuels. The diversity of techniques and extrapolation methods for achieving adiabatic flame data results in the large scatter found in literature. Among various techniques available, the heat flux method is known to provide adiabatic burning velocity measurements with good accuracy. The method does not depend on extrapolations and is able to produce flames that closely reach the adiabatic condition. In this study, a workbench was built based on the heat flux method aiming at measuring the adiabatic laminar flame velocity of different fuel and oxidant mixtures. Data were obtained for methane/air and natural gas/air mixtures for different equivalence ratios (0.65 to 1.5) at 298 K and 1 atm. An analysis of possible error sources is also presented using 95% of confidence interval. For a soichiometric methane/air mixture the flame speed was found to be 35.4 cm/s with 2.8% of uncertainty. Under the same conditions, for a stoichiometric natural gas/air mixture the value obtained was 34.8 cm/s with an uncertainty of 3.1%. The experiment shows that the uncertainties increase as the premixture deviates from the stoichiometric condition, reaching 20% for an equivalence ratio of 1.5. The measurements obtained for different equivalence ratios are consistent with results found in the literature and with acceptable uncertainties for the method.

[pt] As projeções para as próximas décadas indicam que os combustíveis tradicionais, derivados do petróleo, associados à utilização de biocombustíveis nos motores de combustão interna continuarão sendo a principal fonte de propulsão dos veículos. Isto justifica as intensas pesquisas por todo o Mundo, para atender aos desafios de aumento de eficiência e redução de emissões de poluentes. As modelagens dos combustíveis comerciais, que possuem centenas de componentes, e dos processos de combustão em motor são, hoje, desafios reais. Também carecem estudos sistemáticos para compreender melhor como os diferentes componentes de combustíveis interagem em mistura e influenciam os parâmetros de combustão e desempenho nos motores. No presente trabalho, realizaram-se seleção de componentes e ensaios experimentais em motor comercial para identificar formulações reduzidas representativas de gasolinas comerciais brasileiras. Concluiu-se que formulações compostas de n-heptano, iso-octano, tolueno e etanol podem ser utilizadas para modelagem de gasolinas oxigenadas. Implementaram-se metodologias para avaliar a influência dos componentes nas propriedades dos combustíveis e parâmetros de combustão e desempenho do motor, identificando os potencias de cada componente e seus grupos químicos. Com dados experimentais de pressão no cilindro desenvolveu-se modelagem para se calcular a velocidade de propagação de chama no motor, bem como foram obtidas relações para calculá-la a partir da velocidade de chama laminar do combustível na condição padrão. Estas relações possuem como parâmetros de entrada o Reynolds de admissão, pressão e temperatura dos gases não queimados na câmara de combustão. Os resultados reúnem informações e metodologias que poderão ser usadas em várias etapas do processo de desenvolvimento de combustíveis para diferentes aplicações. / [en] For the next decades it is expected that the fossil fuels and bio-fuels usage in internal combustion engines remains to be the main source for vehicular propulsion. This justifies the intense worldwide research and development to comply with the challenges of increasing efficiency and emissions reduction. The modeling of commercial fuels and engine combustion processes presents great challenges. There is also the need to better understand how different fuel components interact and influence engine combustion and performance parameters. In the present work, components selection and engine dynamometer tests were done to identify representative surrogate fuels for commercial Brazilian gasoline. It was concluded that formulations of n-heptane, iso-octane, toluene and ethanol can be used to model oxygenated gasolines. Methodologies were implemented to evaluate the influence of the fuel components on fuel properties and several engine combustion and performance parameters. The potentials of each component and corresponding chemical group were identified. Using in cylinder pressure measurements it was developed a methodology to calculate flame propagation velocity in a commercial engine. Further, mathematical modeling was developed to calculate this combustion parameter, based on fuel laminar flame velocity at standard condition. The relations were designed considering the intake Reynolds number, temperature and pressure of the unburned gases inside the cylinder. The results put together informations and methodologies that can be used in several steps of the fuel development process for different applications.