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.

Detta projekt behandlar metodutveckling för att modellera en trevägskatalysator som skulle kunna användas vidare för att uppskatta utsläppen från en Ottomotor. Modellen är byggd i AVL Cruise M för att bestämma omvandlingarna för de tre lagstiftade föroreningarna kolmonoxid, kväveoxider (NOx) och metan baserat på reaktioner som sker i trevägskatalysatorer. Projektet tar också upp olika experimentella metoder och specifika kalibreringsmetoder som används för att samla in data och bygga modellen. Projektet diskuterar två olika kalibreringsprocesser baserade på insamlade experimentella data och antalet reaktioner kalibrerade i varje steg. Dessutom diskuteras programvaran som används och ändringarna som gjorts i den fördefinierade modellen av programvaran. Resultatet efter kalibreringen visade att den andra kalibreringsprocessen gav bättre resultat, men vissa avvikelser observerades i den byggda modellen. Avvikelserna antas bero på följande tre anledningar. För det första, försummar ytreaktionsmodellen föroreningarnas diffusionshastigheter. Dessutom kan komplexiteten hos objektfunktionen som matas in i optimeraren samt de stationära data som används för kalibreringsändamål också ge avvikelser. Dessa tre argument testas i projektet och slutsatserna som dras för att kunna förbättra modellen är följande.  Objektfunktionen behöver förenklas så mycket som möjligt, diffusion av föroreningar genom washcoaten kan inkluderas i olika komplicerade steg och syrelagringsreaktioner blir viktiga när man tar hänsyn till transienta förhållanden. / This project discusses about development of a method to model the three-way catalyst which could be used further to estimate the emissions from an Otto engine. The model is built in the commercial software called AVL Cruise M to determine the conversions of three legislative pollutants namely, carbon monoxide, nitrogen oxide and methane based on reactions occurring within the three-way catalyst. The project also discusses about different experimental and calibration methods used for collecting the data and building the model. The project discusses two different calibration process based on the experimental data used and number of reactions calibrated on each step. Furthermore, the software used, and the modifications made in the predefined model of the software are also discussed. The result after the calibration showed that the second calibration process gave better results, but some deviations were observed in the model built. The deviations are assumed to be because of three arguments present. Firstly, considering the surface reaction model which neglects the diffusion rates of the species. Secondly, the complexity of the objective function fed into the optimiser. The optimiser is also a software by AVL named design explorer which helps to optimise the parameters. And thirdly, the use of steady state data only and not including transient conditions for the calibration purposes. These arguments are tested in the project, and it is concluded to improve the model, the objective function needs to be simplified as much as possible, diffusion of species through washcoat could be considered at advance stages and oxygen storage reactions become important when transient conditions are taken into consideration.

[EN] The injection system is one of the topics that has been paid most attention to by researchers in the field of direct injection diesel engines, due to its key role on fuel atomization, vaporization and air-fuel mixing process, which directly affect fuel consumption, noise irradiation and pollutant emissions. The increasing injection pressures in modern engines have propitiated the need of studying phenomena such as cavitation, compressible flow or the effect of changes in the fuel properties along the process, whose relative importance was lower in early stages of the reciprocating engines development. The small dimensions of the injector ducts, the high velocities achieved through them and the transient nature of the process hinder the direct observation of these facts. Computational tools have then provided invaluable help in the field. The objective of the present thesis is to analyse the influence of the thermal effects on the performance of a diesel injector. To this end, the fuel temperature variation through the injector restrictions must be estimated. The influence of these changes on the fuel thermophyisical properties relevant for the injection system also needs to be assessed, due to its impact on injector dynamics and the injection rate shape. In order to give answer to the previous objectives, both experimental and computational techniques have been employed. A dimensional and a hydraulic experimental characterization of a solenoid-actuated Bosch CRI 2.20 injector has been carried out, including rate of injection measurements at a wide range of operating conditions, with special attention to the fuel temperature control. A 1D computational model of the injector has been implemented in order to confirm and further extend the findings from the experiments. Local variations of fuel temperature and pressure are considered by the model thanks to the assumption of adiabatic flow, for which the experimental characterization of the fuel properties at high pressure also had to be performed. The limits of the validity of this assumption have been carefully assessed in the study. Results show a significant influence of the fuel temperature at the injector inlet on injection rate and duration, attributed to the effect of the variation of the fuel properties and to the fact that the injector remains in ballistic operation for most of its real operating conditions. Fuel temperature changes along the injector control orifices are able to importantly modify its dynamic behaviour. In addition, if the fuel at the injector inlet is at room temperature or above, the temperature at the nozzle outlet has not been proved to importantly change once steady-state conditions are achieved. However, a significant heating may take place for fuel temperatures at the injector inlet typical of cold-start conditions. / [ES] El sistema de inyección es uno de los elementos que más interés ha despertado en la investigación en el campo de los motores diésel de inyección directa, debido a su papel clave en la atomización y vaporización del combustible así como en el proceso de mezcla, que afectan directamente al consumo y la generación de ruido y emisiones contaminantes. Las crecientes presiones de inyección en motores modernos han propiciado la necesidad de estudiar fenómenos como la cavitación, flujo compresible o el efecto de los cambios de las propiedades del combustible a lo largo del proceso, cuya importancia relativa era menor en etapas tempranas del desarrollo de los motores alternativos. Las pequeñas dimensiones de los conductos del inyector, las altas velocidades a través de los mismos y la naturaleza transitoria del proceso dificultan la observación directa en estas cuestiones. Por ello, las herramientas computacionales han proporcionado una ayuda inestimable en el campo. El objetivo de la presente tesis es analizar la influencia de los efectos térmicos en el funcionamiento de un inyector diésel. Para tal fin, se debe estimar la variación de la temperatura del combustible a lo largo de las restricciones internas del inyector. La influencia de estos cambios en las propiedades termofísicas del combustible más relevantes en el sistema de inyección también debe ser evaluada, debido a su impacto en la dinámica del inyector y en la forma de la tasa de inyección. Para dar respuesta a estos objetivos, se han utilizado técnicas experimentales y computacionales. Se ha llevado a cabo una caracterización dimensional e hidráulica de un inyector Bosch CRI 2.20 actuado mediante solenoide, incluyendo medidas de tasa de inyección en un amplio rango de condiciones de operación, para lo que se ha prestado especial atención al control de la temperatura del combustible. Se ha implementado un modelo 1D del inyector para confirmar y extender las observaciones extra\'idas de los experimentos. El modelo considera variaciones locales de presión y temperatura del combustible gracias a la hipótesis de flujo adiabático, para lo cual también se ha tenido que llevar a cabo una caracterización experimental de las propiedades del combustible a alta presión. Los límites de la validez de esta hipótesis se han analizado cuidadosamente en el estudio. Los resultados muestran una influencia significativa de la temperatura del combustible a la entrada del inyector en la tasa y duración de inyección, atribuida al efecto de la variación de las propiedades del combustible y al hecho de que el inyector permanece en operación balística para la mayoría de sus condiciones de funcionamiento. Los cambios en temperatura del combustible a lo largo de los orificios de control del inyector son capaces de modificar su dinámica considerablemente. Además, si el combustible a la entrada del inyector se encuentra a temperatura ambiente o por encima, se ha observado que la temperatura a la salida de la tobera no varía de manera importante una vez se alcanzan condiciones estacionarias. No obstante, un calentamiento significativo puede tener lugar para temperaturas de entrada típicas de las condiciones de arranque en frío. / [CA] El sistema d'injecció és un dels elements que més interés ha despertat en la investigació en el camp dels motors dièsel d'injecció directa, degut al seu paper clau en l'atomització i vaporització del combustible, així com en el procés de mescla, que afecten directament el consum i la generació de soroll i emissions contaminants. Les creixents pressions d'injecció en motors moderns han propiciat la necessitat d'estudiar fenòmens com la cavitació, flux compressible o l'efecte dels canvis de les propietats del combustible al llarg del procés, la importància relativa dels quals era menor en les primeres etapes del desenvolupament dels motors alternatius. Les menudes dimensions dels conductes de l'injector, les altes velocitats a través dels mateixos i la natura transitòria del procés dificulten l'observació directa en estes qüestions. Per això, les ferramentes computacionals han proporcionat una ajuda inestimable en el camp. L'objectiu de la present tesi és analitzar la influència dels efectes tèrmics en el funcionament d'un injector dièsel. Per a tal fi, es deu estimar la variació de la temperatura del combustible al llarg de les restriccions internes de l'injector. La influència d'estos canvis en les propietats termofísiques del combustible més relevants en el sistema d'injecció també ha de ser avaluada, degut al seu impacte en la dinàmica de l'injector i en la forma de la tasa d'injecció. Per tal de donar resposta a estos objectius, s'han utilitzat tècniques experimentals i computacionals. S'ha dut a terme una caracterització dimensional i hidràulica d'un injector Bosch CRI 2.20 actuat mitjançant solenoide, incloent mesures de tasa d'injecció en un ampli rang de condicions d'operació, per al que s'ha prestat especial atenció al control de la temperatura del combustible. S'ha implementat un model 1D de l'injector per tal de confirmar i estendre les observacions extretes dels experiments. El model considera variacions locals de pressió i temperatura del combustible gràcies a la hipòtesi de flux adiabàtic, per la qual cosa també s'ha hagut de dur a terme una caracterització experimental de les propietats del combustible a alta pressió. Els límits de la validesa d'esta hipòtesi s'han analitzat acuradament en l'estudi. Els resultats mostren una influència significativa de la temperatura del combustible a l'entrada de l'injector en la tasa i duració d'injecció, atribuïda a l'efecte de la variació de les propietats del combustible i al fet que l'injector roman en operació balística per a la majoria de les seues condicions de funcionament. Els canvis en temperatura del combustible al llarg dels orificis de control de l'injector són capaços de modificar la seua dinàmica considerablement. A més, si el combustible a l'entrada de l'injector es troba a temperatura ambient o per damunt, s'ha observat que la temperatura a l'eixida de la tobera no varia de manera important una vegada s'han assolit condicions estacionàries. No obstant això, un escalfament significatiu pot tenir lloc per a temperatures d'entrada típiques de les condicions d'arrancada en fred. / Carreres Talens, M. (2016). Thermal effects influence on the Diesel injector performance through a combined 1D modelling and experimental approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73066

Ce travail présente une étude théorique et expérimentale portant sur le concept de Moteur Hybride Pneumatique ( MHP). En première approche, un modèle 0D d’un MHP monocylindre, incluant un sous-modèle cinématique original pour l’actuateur entièrement variable muant la soupape de charge, est présenté puis exploité. La modélisation 1D de la dynamique des gaz dans chaque tubulure est traitée, incluant différents modèles de Condition Limite de Soupape (CLS), basées sur la méthode des caractéristiques et issues de la littérature. Il est montré que ces CLS ne sont pas adaptées à la modélisation d’un MHP : existence de chocs numériques, problème de non-convergence et mise en défaut face à des relevés expérimentaux. Un modèle original de CLS, évitant ces problèmes et demeurant basé sur la méthode des caractéristiques, est alors développé puis validé expérimentalement à la foi sur bancs d’essais moteurs et de dynamique des gaz à la soupape. Une étude expérimentale des échanges de chaleur convectifs, en mode pneumatique et sans combustion, est conduite et débouche alors sur une modification nécessaire de la corrélation standard de Woschni, afin de correctement décrire l’extinction du mouvement de tumble en fin de course de compression. Une exploitation de la plate-forme de simulation 1D de MHP monocylindre, incluant l’ensemble des éléments développés, est finalement conduite afin de déterminer les phasages optimums d’ouverture et de fermeture de la soupape de charge, pour différents mode et conditions opératoires. Cette étude, nécessaire à de futures simulations de cycles routier, confirme d’une part, la viabilité du concept et d’autre part, montre l’importance que revêt la prise en compte de la cinématique de l’actuateur soupape et de la dynamique des gaz dans la tubulure de charge. / This work presents an experimental and theoretical study on the concept of Pneumatic Hybrid Engine (PHE). In a first approach, a 0D model of a single cylinder PHE, including an original kinematic sub-model of the fully variable actuator that moves the charging valve, is presented and exploited. Then, the 1D modelling of the gaz dynamics inside each pipes is treated, including several valve boundary conditions (VBC), based on the method of characteristics and issued from literature. It is shown that these VBC are not suitable for a PHE modelling : numerical shocks, non-convergence and contraticted when compared to measurements. An original VBC, avoiding these problems and still based on the method of characteristics, is then developed and experimentally validated on both engine and valve gas dynamics tests benches. An experimental study on the convective heat transfer, in pneumatic mode without combustion, is conducted and leads to a necessary modification of the standard Woschni correlation in order to correctly describe the decay of the tumble motion near the end of the compression stroke. The 1D simulation platform, including all components developed, has finally been conducted in order to determine the optimum timings for the charging valve opening and closing, for different modes and operating conditions. This study, necessary for future driving cycle simulations, first confirms the viability of the PHE concept and second, shows the importance of taking into account the kinematic capability of the charing valve actuator and the gas dynamics inside the charging pipe.

Le développement des réseaux séparatifs entraîne le transfert fréquent de polluants urbains vers les milieux récepteurs (plans d’eau, rivières, etc.). La compréhension des processus de production et de lessivage des polluants dans le milieu urbain est pourtant incomplète à l’heure actuelle. Afin de répondre aux questions liées à la gestion des eaux urbaines, l’amélioration des connaissances des processus physiques est nécessaire, tant au niveau des surfaces urbaines que les réseaux d'assainissement. Pour cela, la modélisation du transfert hydrologique des polluants en milieu urbain peut être un outil précieux.Cette thèse a pour objectif de développer et d'analyser des modèles distribués à base physique pour simuler les flux de polluants routiers (Matières En Suspension (MES), Hydrocarbures, Métaux) dans un environnement urbain. Elle s'inscrit dans le cadre du projet ANR "Trafipollu" et bénéficie des résultats expérimentaux mis en œuvre dans ce projet pour la calibration et validation des modèles utilisés. Le travail de thèse s’articule autour de deux échelles de modélisation : l’échelle locale et l’échelle du quartier.A l'échelle locale, le code FullSWOF (volumes finis, schéma numérique d'ordre 2) couplé au modèle d’érosion d'Hairsine and Rose (1992a; 1992b) et des données géographiques très détaillées (résolution spatiale centimétrique) ont été utilisés et adaptés afin d'améliorer nos connaissances des processus physiques du lessivage des polluants sur les surfaces urbaines. La comparaison aux mesures en continu permet d’évaluer la performance d’une modélisation physique pour représenter les variations spatiales et temporelles des processus de transferts des polluants sur les surfaces urbaines. Les analyses des résultats obtenus permettent de constater la prédominance des effets d'arrachement liés à la pluie sur les processus d'entrainement par l'advection sur la majeure partie du bassin versant routier. L’utilisation d’un modèle d’érosion pour modéliser le transport particulaire en zone urbaine est une innovation importante de cette thèse.A l’échelle du quartier, la deuxième étape du travail consiste à coupler séquentiellement le modèle TREX (Velleux, England, et al., 2008) avec le modèle CANOE (Alison, 2005), nommé "TRENOE" plateforme. En changeant différentes options de mise en œuvre et de configurations du modèle, l’adaptation de la précision numérique et l’utilisation de données détaillées d’occupation du sol semblent être les facteurs clés pour une telle modélisation. Par ailleurs, ce couplage a montré des problèmes de fond tels que la modélisation du schéma numérique des flux en surface (seulement dans 4 directions), ainsi que l'utilisation de l'équation USLE pour simuler l'érosion en milieu urbain, ne comprenant pas d’impact des gouttes de pluie pour la modélisation.Pour remédier à ces défauts, la plateforme opensource LISEM-SWMM est développée en couplant le modèle LISEM (De Roo, Wesseling, et al., 1996), modèle d’érosion développé initialement pour le milieu naturel, et le modèle SWMM (Rossman, 2010). Pour la première fois, la modélisation hydrologique s’appuie aussi sur l’utilisation de sorties de modèles atmosphériques pour les dépôts des particules fines (PM10), hydrocarbures et métaux. Les résultats montrent que l’emploi de modèles totalement distribués peut arriver à reproduire de manière très fine les dynamiques des particules, des hydrocarbures et des métaux. Même si à ce stade la plateforme développée nécessite des améliorations pour adapter aux utilisations dans le champ opérationnel, ceci constitue une avancée pour le domaine de modélisation du transfert hydrologique des polluants routiers en milieu urbain / Nowadays, the increasing use of separate stormwater systems causes a frequent transport of urban pollutants into receiving water bodies (lakes, rivers). However, current studies still lack of the knowledge of urban build-up and wash-off processes. In order to address urban management issues, better understanding of physical mechanism is required not only for the urban surfaces, but also for the sewer systems. In this context, the modelling of hydrological transfer of urban pollutants can be a valuable tool.This thesis aims to develop and assess the physically-based and distributed models to simulate the transport of traffic-related pollutants (suspended solids, hydrocarbons, heavy metals) in urban stormwater runoffs. This work is part of the ANR "Trafipollu" project, and benefit from the experimental results for model calibration and validation. The modelling is performed at two scales of the urban environment: at the local scale and at the city district scale.At the local scale of urban environment, the code FullSWOF (second-order finite volume scheme) coupled with Hairsine and Rose model (1992a; 1992b) and detailed monitoring surveys is used to evaluate urban wash-off process. Simulations over different rainfall events represent promising results in reproducing the various dynamics of water flows and particle transfer on the urban surfaces. Spatial analysis of wash-off process reveals that the rainfall-driven impacts are two orders of magnitude higher than flow-drive effects. These findings contribute to a significant improvement in the field of urban wash-off modelling. The application of soil erosion model to the urban context is also an important innovation.At the city district scale, the second step consists of coupling the TREX model (Velleux, England, et al., 2008) and the CANOE model, named "TRENOE" platform. By altering different options of model configurations, the adequate numerical precision and the detailed information of landuse data are identified as the crucial elements for achieving acceptable simulations. Contrarily, the high-resolution topographic data and the common variations of the water flow parameters are not equally significant at the scale of a small urban catchment. Moreover, this coupling showed fundamental problems of the model structure such as the numerical scheme of the overland flow (only 4 directions), and the empirical USLE equations need to be completed by raindrop detachment process.To address these shortcomings, the LISEM - SWMM platform is developed by coupling the open-source LISEM model (De Roo, Wesseling, et al., 1996), which is initially developed for soil erosion simulations, and the SWMM model (Rossman, 2010). For the first time, the hydrological model is also supported by the simulations of atmospheric dry deposits of fine particles (PM10), hydrocarbons and heavy metals. The performance of water flow and TSS simulations are satisfying with the calibrated parameters. Considering the hydrocarbons and heavy metals contents of different particle size classes, simulated event mean concentration of each pollutant is comparable to local in-situ measurements. Although the platform at current stage still needs improvements in order to adapt to the operational applications, the present modelling approach contributes to an innovative technology in the field of modelling of hydrological transfer of the traffic-related pollutants in urban environment

<p>One of the major challenges in the field of internal combustion engines is keeping up with the advancements in electrification and hybridization. Automakers are striving to design environment – friendly and highly efficient engines to meet stringent emission standards worldwide. Improving engine efficiency and reducing heat losses are critical aspects of this development. Therefore, accurate heat transfer prediction capabilities play a vital role in engine design process. Current methods rely on computationally intensive 3D numerical analyses, there is a growing interest in reliable simplified models. </p> <p>In this study, a 1D diesel engine model featuring predictive combustion was integrated with a detailed finite element thermal primitive based on the 3D meshing feature available in GT Suite. Coolant and oil hydraulic circuits were incorporated in the model. The model proves to be an effective means to assess the impact on heat rejection and engine heat distribution given by an engine calibration and operating conditions. </p> <p>This work also contributes to the advancement of virtual IC engine development methods by focusing on the design and tuning of complex engine system models using GT Power for accurate prediction of engine performance. The current processes in engine simulations are assessed to identify sources of errors and opportunities for improvements. The methods discussed in this work include isolated sub system level calibration and model evolution specifically address the issue of identifying noise factors and issues in smaller parts. Additionally, the study aims on improving the model’s trustworthiness by computing 1st law sanity checks, replicating real-life compressor map calculations and refining GT’s existing global convergence criteria. </p>