La présente thèse porte sur la modélisation dédiée au contrôle des phénomènes physiques se produisant au travers des restrictions de la chaîne d’air du moteur. L’objectif est d’assurer la précision des modèles tout en limitant les temps de calcul associés. En effet, les modèles dédiés au contrôle nécessitent un temps de calcul court (proche du temps réel) afin d’être exploitables dans un processus de développement. En parallèle de cela, les normes concernant les rejets polluants sont de plus en plus drastiques, et nécessitent de prendre en compte finement les phénomènes physiques mis en jeu. Dans une première partie, les équations des phénomènes physiques liés aux turbocompresseurs radiaux sont introduites dans une approche cartographique. Les équations fondamentales des turbomachines sont développées et utilisées afin de construire une méthode d’interpolation / extrapolation de champs turbocompresseur expérimentaux incomplets. Dans un second temps, les résultats d’essais réalisés lors de la thèse sont utilisés pour identifier les transferts thermiques au sein des turbocompresseurs. Un modèle dynamique d’échange thermique est ensuite construit. Le modèle final permet d’obtenir une cartographie complète des champs compresseur et turbine, tout en prenant en compte l’impact des transferts thermiques sur les performances des turbomachines. La seconde partie porte sur la modélisation des restrictions (soupapes, changements de section…) rencontrées sur les MCI. Une méthode pour la résolution quasistatique des équations Euler 1D complètes (masse, énergie, moment) est proposée afin de construire les cartographies associées aux restrictions considérées, sans introduire de coefficient de correction expérimental. Ces cartographies sont utilisables en tant que modèles moyens ou utilisées comme conditions limites de codes aérodynamiques 1D. En cas de couplage avec un code 1D, une méthode de correction d’entropie basée sur un algorithme de linéarisation est proposée afin de réduire le temps de convergence aux conditions limites du domaine de calcul.Finalement, les développements sont validés expérimentalement en écoulements stabilisés et transitoires. / The present thesis will focus on the modeling of the airpath components for the development of the control laws. The goal is to ensure the accuracy of the models while liming the associated calculation time. Indeed, models associated to the development of control laws must ensure law calculation time in order to be compliant with automotive development processes. In the same time, pollutant emissions regulations are increasingly restrictive, which has a direct impact on the required accuracy level of the models. In a first part, the physical equations of the radial turbocharger are introduced in a datamap-based approach. The fundamental equations of turbomachines are developed and processed in order to build an interpolation / extrapolation method for incomplete turbocharger datamaps. Then, measurements from tests realized during the thesis are analyzed in order to identify the heat exchanges occurring within turbochargers. A dynamical heat exchange model is then built. The final turbocharger model allows to build complete turbocharger datamaps, while taking into account the effect of thermal exchanges. The second part focuses on the modeling of ICE flow restrictions (valves, change of pipe area…). A method is proposed in order to solve the quasistatic formulation of the Euler 1D equation (mass, energy, momentum). This allows to build datamaps associated to the studied components, without having to introduce an experimental corrective coefficient. These datamaps can be used as mean-value models or as boundary conditions of a 1D numerical scheme. In case of coupling with a 1D scheme, an entropy correction scheme based on local linearization has been developed in order to improve the convergence speed at the boundary condition. Finally, proposed developments are validated experimentally under stabilized and transient flow conditions.

Cette thèse porte sur la modélisation 0D/1D de la combustion Diesel dans les moteurs récents. L’objectif est d’augmenter la précision des modèles tout en limitant les temps de calcul associés afin d’utiliser la simulation comme un outil dédié à la mise au point. Dans une première partie, le développement d’un modèle 0D orienté simulation système est présenté. La prise en compte de l’ensemble des phénomènes physico-chimiques se déroulant dans la chambre de combustion confère au modèle un niveau de prédictivité conséquent. Un nouveau modèle de combustion de prémélange est proposé, permettant une modélisation détaillée des combustions fortement diluées et des combustions relatives aux injections précoces. Une approche innovante permettant de quantifier les interactions entre les jets pour la multi injection est également proposée. Après calibration sur un nombre restreint d’essais moteur, les résultats du modèle global sont comparés à des mesures expérimentales pour toute la plage de fonctionnement du moteur. La seconde partie de ce travail porte sur la modélisation 1D de la combustion Diesel. Un modèle de jet Diesel est d’abord développé et validé sur des mesures expérimentales. Ce modèle est ensuite étendu à des conditions réactionnelles à l’aide d’un couplage avec un modèle de combustion. Ce dernier s’appuie sur une tabulation des mécanismes de cinétique chimique, ainsi que sur une approche Eddy Break-Up permettant de modéliser le taux de réaction lié au micro mélange. Ce modèle est ensuite intégré à un modèle de chambre de combustion et une première validation du modèle sur des essais moteur réels est entreprise. / The present thesis focuses on the 0D/1D Diesel combustion modeling of recent engines. The goal is to improve models accuracy while minimizing computation times in order to use simulation as a tool for engine pre-mapping. In the first part, a 0D model designed as a system simulation-oriented tool is proposed. The main contribution of this study is the modeling of the premixed part of the Diesel combustion. This model allows a detailed modeling of highly diluted combustion and combustion related to early injections. A new approach to quantify interactions between each spray in the case of multi injection strategies is also proposed. After calibration using a very small number of engine tests, results for the global combustion chamber model are compared with experimental measurements for the overall engine operating conditions. The second part of this work deals with the 1D Diesel combustion modeling. A Diesel spray model is at first developed and validated on experimental measurements. This model is then extended to reaction conditions using the coupling with a combustion model. The combustion model makes use of tabulated local reaction rates of fuel and is based on the Eddy Break-Up approach to describe the reaction rate related to the turbulent mixing process. The next step is the integration of the burning spray model into a Diesel engine combustion chamber model. A first validation using experimental results for a recent Diesel engine is done.

La micro-cogénération désigne la production simultanée de deux énergies finales et utilisables à partir d’une seule source d’énergie primaire. Le cas le plus fréquent est la production de la chaleur et de l’électricité. En France, la micro-cogénération concerne les petites puissances (< 36 kWel). Son intérêt réside dans des rendements globaux supérieurs à ceux obtenus dans le cas d’une production séparée équivalente d’électricité et de chaleur. Dans le cas d’une micro-cogénération biomasse, la chaleur est fournie par une chaudière biomasse qui est couplée à un cogénérateur via un échangeur de chaleur gaz – gaz. À cette échelle de puissance, les moteurs à combustion externe ou moteurs à air chaud sont les plus indiqués comme cogénérateur. L’objet de cette thèse est de caractériser et de modéliser une unité de micro-cogénération biomasse qui se compose d’une chaudière domestique à pellets de puissance 30 kWth, d’un moteur à air chaud de type Ericsson et d’un échangeur air–gaz brûlés inséré dans la chambre de combustion de la chaudière. Des modèles dynamiques 0D de la chaudière biomasse et de l’échangeur de chaleur air – gaz brûlés sont développés pour simuler les phases transitoires et représenter l’évolution des variables du système au cours du temps. Les modèles 0D dynamiques ont été validés par des mesures expérimentales. Ils sont capables d'évaluer les performances énergétiques et les pertes de puissance et de quantifier les transferts thermiques entre les fluides de travail (eau et air), les gaz brûlés et les parois en différentes zones au sein du système considéré (chaudière ou échangeur de chaleur air – gaz brûlés). Une post-combustion a été réalisée en injectant de l’air secondaire à différents débits, chauffé à différentes températures dans la partie haute de la chambre de combustion de la chaudière. Des mesures des émissions polluantes au niveau de la cheminée de la chaudière ont été réalisées afin d’examiner l’influence de la post-combustion. Les principaux composants mesurés sont : le dioxyde de carbone, l’oxygène, le monoxyde de carbone et les oxydes d’azote. / Micro-cogeneration refers to the simultaneous production of two final and usable energies from a single primary energy source. The most common case is the production of heat and electricity. In France, micro-cogeneration concerns small powers (< 36 kWel). Its interest lies in higher efficiencies than those obtained in the case of an equivalent separate production of electricity and heat. In the case of biomass micro-CHP system, the heat is supplied by a biomass boiler that is coupled to a cogenerator via a heat exchanger. For this power, external combustion engines or hot air engines are the most suitable. In the case of The purpose of this PhD thesis work is to characterize and model a biomass micro-CHP unit, with a biomass boiler (30 kWth), an Ericsson engine and an air-flue gas heat exchanger inserted inside the combustion chamber of the boiler. Dynamic models 0D of the biomass boiler and the air-flue gas heat exchanger are developed to simulate the transient phases and to represent the evolution of the variables as a time function. Dynamic 0D models have been validated by experimental measurements. They evaluate the energy performances and power losses and quantify heat transfer between working fluids (water and air), flue gases and walls in different zones in the considered system (boiler or air-flue gas heat exchanger). A post-combustion is investigated by injecting secondary air at different flow rates and different temperatures in the upper part of the boiler combustion chamber. Experimental measurements of pollutant emissions in the boiler chimney are performed to examine the post-combustion influence. The main pollutants measured are: carbon dioxide, oxygen, carbon monoxide and nitrogen oxides.

La quantité de gaz résiduels présents dans le cylindre d’un moteur à combustion interne a une influence important sur son fonctionnement (combustion, rendement, émissions,..) particulièrement en allumage commandé. Aujourd’hui, il est possible de modifier cette quantité, notamment grâce à des systèmes de distribution variable. Cependant, la détermination expérimentale de la quantité de résiduels et l’estimation à partir de modèles numériques restent délicates. L’objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodologies pour traiter ces deux problématiques. Un point bibliographique est tout d’abord effectué pour dresser un état de l’art. Il recense les principaux paramètres influençant la quantité de résiduels, les effets des résiduels sur le fonctionnement du moteur, les moyens expérimentaux et les modèles disponibles pour en évaluer la quantité. Un système original est ensuite développé pour mesurer la quantité de résiduels à partir d’un prélèvement gazeux effectué dans le cylindre à la fin de la compression. Les résultats ainsi obtenus sur l’ensemble du champ de fonctionnement d’un moteur automobile atmosphérique à allumage commandé sont ensuite analysés en fonction du régime, de la charge et de la position du déphaseur installé sur l’arbre à came d’admission. Enfin, plusieurs modélisations de la phase de croisement des soupapes en approche 0D/1D sont évaluées. L’approche classique de mélange parfait n’étant pas satisfaisante, de nouvelles approches originales sont proposée et testées. Une approche hybride mêlant mélange parfait et déplacement parfait permet d’obtenir des résultats améliorés, après calibration d’un paramètre en fonction du régime et de la charge du moteur. / The amount of residual gas trapped in the cylinder of an internal combustion engine has a huge influence on its behavior (combustion, efficiency, emission,..), in particular for spark ignition engines. Nowadays, it is possible to modify this amount, in particular with variable valve train. However, the experimental assessment of residual gas content and its evaluation with numerical simulation are still challenging. The objective of this study is to propose new methodologies to improve these two aspects. A bibliographical survey is first proposed to give state of the art. It gathers the main parameters influencing residual gas content, the effects of residual gas on engine behavior, experimental procedures and numerical models available for residual gas content estimation. An original system is then developed to measure the amount of residual gas with an in-cylinder gas sampling triggered at the end of compression stroke. The results, obtained on the whole operating map of a naturally aspirated automotive spark ignition engine, are analyzed with respect to engine rotation speed, load and cam phaser position (intake side). Finally, various modeling of valve overlap with a 0D/1D approach are assessed. The standard “perfect mixing” assumption is not fully satisfactory, so that new assumptions are proposed and tested. A hybrid approach combining “perfect mixing” and “perfect displacement” allows for improved agreement with experiments, after calibration of a model parameter with respect to engine rotation speed and load.

Cette thèse porte sur la modélisation 0D/1D de la combustion Diesel dans les moteurs récents. L'objectif est d'augmenter la précision des modèles tout en limitant les temps de calcul associés afin d'utiliser la simulation comme un outil dédié à la mise au point. Dans une première partie, le développement d'un modèle 0D orienté simulation système est présenté. La prise en compte de l'ensemble des phénomènes physico-chimiques se déroulant dans la chambre de combustion confère au modèle un niveau de prédictivité conséquent. Un nouveau modèle de combustion de prémélange est proposé, permettant une modélisation détaillée des combustions fortement diluées et des combustions relatives aux injections précoces. Une approche innovante permettant de quantifier les interactions entre les jets pour la multi injection est également proposée. Après calibration sur un nombre restreint d'essais moteur, les résultats du modèle global sont comparés à des mesures expérimentales pour toute la plage de fonctionnement du moteur. La seconde partie de ce travail porte sur la modélisation 1D de la combustion Diesel. Un modèle de jet Diesel est d'abord développé et validé sur des mesures expérimentales. Ce modèle est ensuite étendu à des conditions réactionnelles à l'aide d'un couplage avec un modèle de combustion. Ce dernier s'appuie sur une tabulation des mécanismes de cinétique chimique, ainsi que sur une approche Eddy Break-Up permettant de modéliser le taux de réaction lié au micro mélange. Ce modèle est ensuite intégré à un modèle de chambre de combustion et une première validation du modèle sur des essais moteur réels est entreprise.

La présente thèse porte sur la modélisation dédiée au contrôle des phénomènes physiques se produisant au travers des restrictions de la chaîne d'air du moteur. L'objectif est d'assurer la précision des modèles tout en limitant les temps de calcul associés. En effet, les modèles dédiés au contrôle nécessitent un temps de calcul court (proche du temps réel) afin d'être exploitables dans un processus de développement. En parallèle de cela, les normes concernant les rejets polluants sont de plus en plus drastiques, et nécessitent de prendre en compte finement les phénomènes physiques mis en jeu. Dans une première partie, les équations des phénomènes physiques liés aux turbocompresseurs radiaux sont introduites dans une approche cartographique. Les équations fondamentales des turbomachines sont développées et utilisées afin de construire une méthode d'interpolation / extrapolation de champs turbocompresseur expérimentaux incomplets. Dans un second temps, les résultats d'essais réalisés lors de la thèse sont utilisés pour identifier les transferts thermiques au sein des turbocompresseurs. Un modèle dynamique d'échange thermique est ensuite construit. Le modèle final permet d'obtenir une cartographie complète des champs compresseur et turbine, tout en prenant en compte l'impact des transferts thermiques sur les performances des turbomachines. La seconde partie porte sur la modélisation des restrictions (soupapes, changements de section...) rencontrées sur les MCI. Une méthode pour la résolution quasistatique des équations Euler 1D complètes (masse, énergie, moment) est proposée afin de construire les cartographies associées aux restrictions considérées, sans introduire de coefficient de correction expérimental. Ces cartographies sont utilisables en tant que modèles moyens ou utilisées comme conditions limites de codes aérodynamiques 1D. En cas de couplage avec un code 1D, une méthode de correction d'entropie basée sur un algorithme de linéarisation est proposée afin de réduire le temps de convergence aux conditions limites du domaine de calcul.Finalement, les développements sont validés expérimentalement en écoulements stabilisés et transitoires.

L’élaboration par CVD (dépôt chimique en phase vapeur ou Chemical Vapor Deposition) de composites à matrices céramiques met en jeu de nombreux mécanismes physico chimiques en interaction les uns avec les autres. La maîtrise du procédé et son optimisation nécessitent une description précise de ces derniers et de leurs couplages, qui peut être réalisé dans un cadre de modélisation suffisamment global. Dans le cas des matériaux déposés dans un réacteur à parois chaudes, qui permet un bon contrôle de la qualité des matériaux, la décomposition des gaz précurseurs en phase gaz joue un rôle extrêmement important. Nous avons entrepris dans cette thèse la modélisation thermodynamique et cinétique de la phase gaz associée aux dépôts des carbures B-C et Si-B-C, systèmes encore mal maîtrisés. En se basant sur des calculs de chimie théorique, nous avons déterminé et caractérisé un ensemble de réactions chimiques d’importance cruciale dans ces systèmes. Nous sommes les premiers à étudier certaines d’entre elles. Un mécanisme réactionnel du système B-C-Cl-H (dépôt de carbure de bore) a été proposé puis utilisé avec un modèle de réacteur unidimensionnel. Des mesures IRTF, également réalisées au cours de cette thèse, permettent une validation du mécanisme réactionnel à différents niveaux. En particulier, la formation de l’espèce BCl2CH3 comme principal produit gazeux carboné a été clairement mise en évidence, ainsi que la température à laquelle BCl3 se décompose pour former BHCl2 et HCl. Les concentrations des espèces en zone chaude ont finalement été mises en relation avec les vitesses de prise de masse et une loi de dépôt a été proposée pour ce système. Dans le cas du système Si-B-C nous avons caractérisé certaines réactions de couplage entre les sous systèmes B-Cl-H et Si-C-Cl-H. Une modélisation globale de la cinétique homogène associée au dépôt de carbures Si-B-C est une perspective à court terme de ce travail. Enfin, l’étude rigoureuse de certaines réactions nous a amené à invoquer et/ou développer des méthodes théoriques spécifiques - et pour certaines non standard - telles que la théorie de l’état de transition, la théorie variationnelle de l’état de transition, la théorie variationnelle de l’état de transition à coordonnée de réaction variable et la théorie RRKM. En particulier, une approche unidimensionnelle du calcul des états propres des modes de vibration lâches a été développée. Sa validité a été confirmée par comparaison à d’autres modèles (oscillateur harmonique, rotation libre, etc …), valables dans des situations plus restreintes. / The Chemical Vapour Deposition of ceramics matrix composites involves many coupling physico-chemical mechanisms. The process control and optimization are allowed by precise description of these mechanisms and their interactions, witch can be realized through a global modelisation. In the case of hot wall reactors, witch allowed a good control of deposit properties, homogeneous gas phase decomposition play a crucial function. We have undertaken in this thesis a gas phase thermodynamic and kinetic studies associated to B-C and Si-B-C carbides elaboration, witch remains hard to control. By theoretical chemical calculations, we proposed a set containing crucial reactions for theses systems. We are the first to study some of them. A reaction mechanism of the B-C-Cl-H system (for the boron carbide deposition) have been proprosed and utilised with a one dimensional reactor model. Experimental IRTF spectrum, also investigated in our works, allow different validations of the reactional mechanism. In particular, BCl2CH3 is showed to be the main carbon product in the gas phase, and prediction of activation temperature of BCl3 to BHCl2 and HCl transformation is very good. Finally, hot zone concentration species have been related to the experimental deposition rate and a kinetic deposition law has been proposed for this system. In the case of Si-B-C system, some important coupling reactions between B-Cl-H and Si-C-Cl-H systems have been characterized. A global modelisation of the homogeneous gas phase kinetic for Si-B-C carbides is short-term perspective. At least, the rigorous study for some reactions have needed the use or the development of specific theoretical methodology – no standard for some of them – as the Transition State Theory (TST), the Variationnal Transition State Theory (VTST), the Variationnal Transition State Theory with Variable Reaction Coordinate (VTST-VRC) and the Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM) theory. In particular, we have developed a convenient way to compute the eigenvalues of low hindered one dimensional vibration modes. Validity of the approach has been assessed by comparisons with more specific model (harmonic oscillator, free and hindered rotation, etc …)

La législation sur les émissions de polluants des Moteurs à Combustion Interne (ICEs) est de plus en plus contraignante et représente un gros défi pour les constructeurs automobiles. De nouvelles stratégies de combustion telles que la Combustion à Allumage par Compression Homogène (HCCI) et l’exploitation de stratégies d’injections multiples sont des voies prometteuses qui permettent de respecter les normes sur les émissions de NOx et de suies, du fait que la combustion a lieu dans un mélange très dilué et par conséquent à basse température. Ces aspects demandent la création d’outils numériques adaptés à ces nouveaux défis. Cette thèse présente le développement d’un nouveau modèle 0D de combustion Diesel HCCI : le dual Combustion Model (dual - CM). Le modèle dual-CM a été basé sur l’approche PCM-FPI utilisée en Mécanique des Fluides Numérique (CFD) 3D, qui permet de prédire les caractéristiques de l’auto-allumage et du dégagement de chaleur de tous les modes de combustion Diesel. Afin d’adapter l’approche PCM-FPI à un formalisme 0D, il est fondamental de décrire précisément le mélange à l’intérieur du cylindre. Par consequent, des modèles d’évaporation du carburant liquide, de formation de la zone de mélange et de variance de la fraction de mélange, qui permettent d’avoir une description détaillée des proprietés thermochimiques locales du mélange y compris pour des configurations adoptant des stratégies d’injections multiples, sont proposés. Dans une première phase, les résultats du modèle ont été comparés aux résultats du modèle 3D. Ensuite, le modèle dual-CM a été validé sur une grande base de données expérimentales; compte tenu du bon accord avec l’expérience et du temps de calcul réduit, l’approche présentée s’est montrée prometteuse pour des applications de type simulation système. Pour conclure, les limites des hypothèses utilisées dans dual-CM ont été investiguées et des perspectives pour les dévélopements futurs ont été proposées. / More and more stringent restrictions concerning the pollutant emissions of Internal Combustion Engines (ICEs) constitute a major challenge for the automotive industry. New combustion strategies such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and the implementation of complex injection strategies are promising solutions for achieving the imposed emission standards as they permit low NOx and soot emissions, via lean and highly diluted combustions, thus assuring low combustion temperatures. This requires the creation of numerical tools adapted to these new challenges. This Ph.D presents the development of a new 0D Diesel HCCI combustion model : the dual Combustion Model (dual−CM ). The dual-CM is based on the PCM-FPI approach used in 3D CFD, which allows to predict the characteristics of Auto-Ignition and Heat Release for all Diesel combustion modes. In order to adapt the PCM-FPI approach to a 0D formalism, a good description of the in-cylinder mixture is fundamental. Consequently, adapted models for liquid fuel evaporation, mixing zone formation and mixture fraction variance, which allow to have a detailed description of the local thermochemical properties of the mixture even in configurations adopting multiple injection strategies, are proposed. The results of the 0D model are compared in an initial step to the 3D CFD results. Then, the dual-CM is validated against a large experimental database; considering the good agreement with the experiments and low CPU costs, the presented approach is shown to be promising for global engine system simulations. Finally, the limits of the hypotheses made in the dual-CM are investigated and perspectives for future developments are proposed.

Avec la sévérisation des réglementations environnementales sur les émissions polluantes (normes Euro) des moteurs d'automobiles, la nécessité de maitriser les phénomènes de combustion a motivé le développement de la simulation numérique comme outil d'aide à la conception. Tenant compte de la complexité des phénomènes à modéliser, et de l'antagonisme des objectifs à optimiser, l'optimisation évolutionnaire multi-objectif semble être la mieux adaptée pour résoudre ce type de problèmes. Cependant, l'inconvénient principal de cette approche reste le coût très élevé en termes de nombre d'évaluations qui peut devenir très contraignant dans le contexte des optimisations réelles caractérisées par des évaluations très coûteuseL'objectif principal de ce travail de thèse est de réduire le coût global des optimisations du monde réel, en explorant la parallélisation des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs, et en utilisant les techniques de réduction du nombre d'évaluations (méta-modèles).Motivés par le phénomène d'hétérogénéité des coûts des évaluations, nous nous proposons d'étudier les schémas d'évolution stationnaires asynchrones dans une configuration parallèle de type « maître-esclave ». Ces schémas permettent une utilisation plus efficace des processeurs sur la grille de calcul, et par conséquent de réduire le coût global de l'optimisation.Ce problème a été attaqué dans un premier temps d'un point de vue algorithmique, à travers une adaptation artificielle des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs au contexte des optimisations réelles caractérisées par un coût d'évaluation hétérogène. Dans un deuxième temps, les approches développées et validées dans la première partie sur des problèmes analytiques, ont été appliquées sur la problématique de la combustion Diesel qui représente le contexte industriel de cette thèse. Dans ce cadre, deux types de modélisations ont été utilisés: la modélisation phénoménologique 0D et la modélisation multidimensionnelle 3D. La modélisation 0D a permis par son temps de retour raisonnable (quelques heures par évaluation) de comparer l'approche stationnaire asynchrone avec celle de l'état de l'art en réalisant deux optimisations distinctes. Un gain de l'ordre de 42 % a été réalisé avec l'approche stationnaire asynchrone. Compte tenu du temps de retour très coûteux de la modélisation complète 3D (quelques jours par évaluation), l'approche asynchrone stationnaire déjà validée a été directement appliquée. L'analyse physique des résultats a permis de dégager un concept intéressant de bol de combustion permettant de réaliser un gain en termes d'émissions polluantes. / In order to comply with environmental regulations, automotive manufacturers have to develop efficient engines with low fuel consumption and low emissions. Thus, development of engine combustion systems (chamber, injector, air loop) becomes a hard task since many parameters have to be defined in order to optimize many objectives in conflict. Evolutionary Multi-objective optimization algorithms (EMOAs) represent an efficient tool to explore the search space and find promising engine combustion systems. Unfortunately, the main drawback of Evolutionary Algorithms (EAs) in general, and EMOAs in particular, is their high cost in terms of number of function evaluations required to reach a satisfactory solution. And this drawback can become prohibitive for those real-world problems where the computation of the objectives is made through heavy numerical simulations that can take hours or even days to complete.The main objective of this work is to reduce the global cost of real-world optimization, using the parallelization of EMOAs and surrogate models.Motivated by the heterogeneity of the evaluation costs observed on real-world applications, we study asynchronous steady-state selection schemes in a master-slave parallel configuration. This approach allows an efficient use of the available processors on the grid computing system, and consequently reduces the global optimization cost.In the first part of this work, this problem has been studied in an algorithmical point of view, through an artificial adaptation of EMOAs to the context of real-world optimizations characterized by a heterogeneous evaluation cost.In the second part, the proposed approaches, already validated on analytical functions, have been applied on the Diesel combustion problem, which represents the industrial context of this thesis. Two modelling approaches have been used: phenomenological modelling (0D model) and multi-dimensional modelling (3D model).The 0D model allowed us, thanks to its reasonable evaluation cost (few hours per evaluation) to compare the asynchronous steady-state approach with the standard generational one by performing two distinct optimizations. A gain of 42 % was observed with the asynchronous steady-state approach.Given the very high evaluation cost of the full 3D model, the asynchronous steady-state approach already validated has been applied directly. The physical analysis of results allowed us to identify an interesting concept of combustion bowl with a gain in terms of pollutant emissions.

Les turbomachines actuelles ont atteint un niveau de maturité technique très élevé. De nouvelles architectures reposant sur des cycles thermodynamiques basés sur une combustion à gain de pression, comme la combustion à volume constant (CVC), ont le potentiel d’augmenter leur efficacité. Dans cette étude,une solution qui repose sur l’intégration dans une turbomachine de chambres de combustion à volume constant sans piston (CVCSP) est considérée. Les objectifs de ces travaux de thèse sont doubles : dans un premier temps de développer et de caractériser extensivement un nouveau dispositif (CV2) dédié à la Combustion à volume constant sans piston sur un cas de référence et, dans un second temps, de proposer à travers plusieurs études, une analyse de l’influence de l’aérodynamique et de la dilution sur les processus d’allumage et, plus généralement de combustion. Le dispositif CV2 permet la combustion aérobie en allumage commandé d’un mélange de propane ou de n-décane, injecté directement dans la chambre. Un point de référence est caractérisé en détail via : des mesures de champs de vitesse par PIV, de chimiluminescence pendant la combustion, une analyse 0D développée dans cette étude. La caractérisation détaillée de ce point de référence montre que le dispositif CV2 reproduit correctement une combustion à volume constant turbulente dans un mélange faiblement hétérogène en température et stratifié en composition, et ce sur un nombre de cycles permettant d’établir une convergence statistique raisonnable. Ces diagnostics et analyses sont employés dans 2 cas d’études pour caractériser successivement : l’influence de l’aérodynamique, via une variation de l’instant d’allumage, l’influence des gaz brûlés résiduels sur la combustion en allumage commandé et la stabilité cyclique, via une variation de la pression d’échappement.Dans un fonctionnement sans balayage, on montre que cette variabilité cyclique est liée au premier ordre à la variation de la dilution en gaz brûlé résiduel du mélange et à la vitesse locale. On montre notamment que, pour un mélange donné, il existe une corrélation statistique entre une vitesse statistique limite et la probabilité d’allumage moyenne. Pour représenter l’effet de pression dans un plénum en amont d’une turbine, on réalise une étude paramétrique sur la pression d’échappement. La dilution résultante, croissant avec la pression d’échappement, diminue la vitesse fondamentale de flamme et ralentit donc la combustion. Les niveaux de températures des gaz brûlés résiduels résultent des échanges de chaleur qui ont lieu sur toute la durée du cycle, de l’allumage du cycle N à celui du cycle N+1 suivant. Des extrapolations sur des cycles à température de paroi plus élevée et à échappement plus court montrent que l’adiabaticité du cycle est améliorée (de 20 %) et que l’effet de dilution en température est alors favorable à une vitesse de flamme turbulente qui est alors plus élevée. Un phénomène d’allumage par gaz brûlé résiduel est observé sur certains cycles de combustion. Ce phénomène est caractérisé dans des conditions favorables, i.e. faible richesse (0.66), allumage tardif et cycle plus court. Lors d’un allumage par gaz brûlés résiduels, un noyau de flamme se développe dans les zones présentant des gaz brûlés résiduels chauds et à basse vitesse autour du jet d’admission et se propage ensuite au reste du mélange identiquement à celui qui serait généré par allumage commandé.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRAN Tech, MBDA et l’ANR. / Current turbomachines have reached a very high level of technical maturity. Thermodynamic cycles based on pressure-gain combustion, such as constant volume combustion (CVC), feature a clear potential for efficiency improvement. The present study considers the integration in a turbomachine of piston-lessCVC chambers. The thesis work is twofold. First, a new experimental setup (CV2) dedicated to cyclic piston-less CVC is developed and thoroughly characterized on a reference operating point. Second, the influence of the aerodynamics and dilution on the processes of ignition and, in a larger sense, on combustion is discussed through dedicated studies. The CV2 device allows for the spark-ignited air-breathing combustion of a mixture of either propane orn-decane, directly injected into the chamber. A reference condition is characterized in details using: PIV velocity field measurements, chemiluminescence of combustion and a 0D modeling of the device. This detailed characterization evidenced that the CV2 combustion chamber successfully replicates, on a number of cycles allowing a reasonable statistical convergence, a turbulent deflagrative constant-volume combustion in a mixture stratified in composition. Those diagnostics and analyses are applied to 2 cases of study to characterize successively : the influence of the aerodynamics, through a variation of the ignition timing, the influence of the residual burnt gases on spark-ignited combustion and the cyclic stability, through a variation of the exhaust backpressure.Operating the device without scavenging of the combustion chamber, we show that the cyclic variability correlates strongly with both the variation of residual burnt gases dilution and the local velocity. Particularly, we show that for a given mixture, a correlation exists between a statistical velocity limit and the average probability of ignition. The effect of a plenum backpressure upstream of a turbine, downstream of the combustion chamber, is simulated by varying the exhaust system backpressure. The resulting dilution, which increases with the exhaust backpressure, diminishes the fundamental flame velocity of the mixture and slows down the combustion. The residual burnt gases temperature results from the integrated heat exchanges that happen during the total cycle duration starting from the end of combustion of cycle N, to the ignition of cycle N+1. Enhanced cycles, with an increased wall temperature and reduced exhaust duration, are extrapolated by 0D analysis. Those cycles evidence a reduction of the cumulated heat exchanges of up to 20 %. The resulting dilutionis more favorable to higher turbulent flame velocity thus to shorter combustion duration. A phenomenon of ignition induced by the residual burnt gases is observed on certain combustion cycles. This phenomenon is characterized in favorable conditions, i.e. fuel-lean equivalence ratio (0.66), late ignition and shortcycles. During an ignition by residual burnt gases, a flame kernel is ignited in areas where the still hot residuals burnt gases meet fresh gases in low-velocity areas around the intake jet. The ignition kernel then propagates to the rest of the mixture in a similar manner as if it was spark-ignited.This work is part of the CAPA Chair research program on Alternative Combustion modes for Air-breathing Propulsion supported by SAFRAN Tech, MBDAFrance and ANR (French National Research Agency).