Ce travail porte sur l'étude et la réalisation d'une cellule d'allumage laser pour turbomoteurs. Une étude bibliographique nous a permis d'identifier les caractéristiques nécessaires : des impulsions nanosecondes d'au moins 10mJ. La spécificité de l'application impose de nombreuses contraintes qui ont influencé le choix d'une architecture avec deux étages amplificateurs : un amplificateur fibré suivi d'un amplificateur à base de fibre cristalline. Nous avons développé un code permettant de simuler l'amplification d'une impulsion nanoseconde dans ces milieux et ainsi déterminé les caractéristiques techniquesoptimales de chaque étage amplificateur. Ces résultats ont permis la réalisation d'une chaîne d'allumage et sa caractérisation. Une étude particulière del'amplificateur fibré a permis de maîtriser l'apparition d'effets non-linéaires limitants. Finalement, nous démontrons le potentiel de notre solution laserpar plusieurs campagnes d'allumage sur différents bancs moteurs.

De nombreuses études sont menées pour la compréhension et l'utilisation de plasmas hors équilibre pour les procédés industriels capables d'améliorer la combustion, de stabiliser des flammes et de réduire les polluants. En effet, dans le cadre des nouvelles normes européennes, il devient indispensable de pouvoir maîtriser la qualité de la combustion et de réduire ainsi les émissions polluantes. Même si le principe de l'allumage classique par étincelle est depuis longtemps connu et utilisé dans l’industrie automobile, ce système présente néanmoins quelques limites. En effet, le caractère localisé de l’étincelle créée réduit la probabilité de rencontre entre l’étincelle et une zone de mélange inflammable ce qui conduit à des ratés d’allumages et spécialement en mélanges pauvres. Ainsi, l’utilisation de systèmes différents reposant sur des plasmas non-thermiques fournit des avantages significatifs, dont les propriétés de forte réactivité chimique et de faible coût énergétique. L’objet principal de ce travail de thèse est l’étude de l’allumage de mélanges combustibles par un certain type de décharges pulsées nanosecondes. En effet, un des intérêts du déclenchement de combustion par décharges nanosecondes est le développement d’une zone spatiale d’allumage nettement plus étendue que celle obtenue par l’étincelle de la bougie standard. Enfin, un autre avantage des décharges nanosecondes est la création de nombreux radicaux dans le milieu combustible nécessaires à l’initiation directe des cinétiques de combustion en limitant la contribution thermique, souvent impliquées dans les pertes de rendement des allumeurs. Dans notre étude, la décharge nanoseconde pulsée utilisée est caractérisée par l’application d’une surtension très élevée donnant un pulse de tension très court (12 ns), d’amplitude très élevée (50 kV) et un front de montée très raide (2 ns). Au cours de cette étude, nous avons d’abord caractérisé la décharge nanoseconde pulsée dans des mélanges air/propane et air/heptane à pression atmosphérique. Ensuite, nous avons appliqué la décharge au déclenchement de combustion dans les mélanges air/propane et air/heptane dans les proportions stœchiométriques mais aussi en mélanges pauvres et ce toujours à pression atmosphérique, ce qui a montré la réduction des délais de combustion. De plus, les résultats en mélanges stœchiométriques montrent qu’il existe trois modes d’allumage : un ponctuel, un double et un mode cylindrique et ce en fonction de la densité d’énergie. / One growing topic of interest in the field of non-thermal plasmas is the use of pulsed corona discharges for ignition purposes and more specifically the use of discharges generated under very strong overvoltages for car atmospheric engine applications. Because of strong environmental constraints on car exhaust gases, engines to be developed in the future have to run with lean air / gasoline mixtures or diluted with burnt gases. In both cases, it needs the optimization of ignition devices since classical spark gaps become inefficient in these conditions. In this context, the generation of non-equilibrium plasmas on large volumes, with high densities of active species, and the ability to induce fast gas heating is challenging. Our experimental work is dedicated to the understanding of physical mechanisms involved in the ignition of lean mixtures of air and hydrocarbons such as propane and n-heptane, at high pressure, using nanosecond range discharges. Such kind of discharges could improve the energy release in the mixtures, promoting the creation of radicals and excited species instead of direct heat through Joule effect, and thus, it could improve the ignition efficiency. A positive high voltage (50 kV) is applied between a pin electrode and a grounded plane over a short nanosecond range pulse (12 ns) with a steep rise time (2 ns). In this study, the discharge has been characterised in air/propane and air-heptane mixtures. The diffuse regime observed in pure air tends to disappear in mixtures containing few percents of propane or heptane. The experimental results show the ability of the single nanosecond pulsed discharge to ignite air-propane and air-heptane mixtures even at low equivalence ratios. It is strongly correlated to the energy density the discharge is able to release into the gas. Finally, it has been shown that for stoechiometric mixtures show that three different modes of ignition are possible, i.e. a single point, a double point or a cylindrical mode, according to the energy density. Combustion delays are strongly reduced and complete combustion of very lean mixtures can be achieved if the amount of energy is slightly increased.

L’allumage constitue une phase critique dans de nombreuses applications de combustion et plus particulièrement dans celles qui sont liées à la propulsion aéronautique et spatiale. Un des défis actuels a été de développer des simulations aux grandes échelles de ce phénomène transitoire dans des configurations réalistes comme celles trouvées dans les moteurs aéronautiques. A cet égard, le travail pionnier de Boileau et al. (2008)a indiqué que des calculs complets de ce processus pouvaient être réalisés dans des géométries complètes de chambre de combustion annulaire et que ces calculs pouvaient fournir des informations de première main sur le processus d’allumage circulaire. Il était toutefois important devoir si la simulation pouvait reproduiredes données expérimentales bien contrôlées.Ceci est accompli dans le présent travail qui utilise un dispositif expérimental nouveau désigné sous le nom de MICCA.La thèse décrit l’ensemble des données recueillies au cours d’essais systématiques sur MICCA, la méthode de calcul aux grandes échelles et sa validation dans une configuration de brûleur simplifiée, les résultats de simulations aux grandes échelles du processus d’allumage circulaire, une analyse détaillée des résultats numériques et enfin une modélisation simplifiée du processus d’allumage fondée sur des équations de bilan macroscopiques. / Ignition constitutes a critical phase in many combustion applications and specifically those related to aerospace propulsion. One of the current challenges has been to develop large eddy simulations of this transient phenomenon in realistic configurations like those found in aeroengines.In this respect, the pioneering work of Boileau et a. (2008) indicated that complete calculations of this process in a full annular combustor geometry could be carried out and that they provided first hand information on the light-round process.It was however important to see if the simulation can match well controlled experimental data. This is accomplished in the present work which uses a novel experimental device named MICCA. The thesis describes the experimental set of data,the calculation methodology and its validation in a single burner configuration,results of large eddy simulation of the full light round process, a detailed analysis of the numerical results and an attempt to build a simplified model of the process based on macroscopic balance equations.

La combustion assistée par plasma a reçu une attention croissante dans les deux communautés de plasma et de combustion. Les décharges Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) sont des techniques prometteuse et efficaces pour initier et contrôler les processus de la combustion en particulier quand les systèmes d’allumage conventionnels sont inefficaces ou trop coûteux en énergie. Néanmoins, les phénomènes rencontrés dans la combustion assistée par plasma sont encore mal connus. Les études numériques présentées dans la littérature sont limitées à des simulations 1-D et 2-D dans des conditions au repos. La complexité du problème augmente dans les configurations pratiques où le phénomène d’allumage est contrôlé par le mouvement du fluide ainsi que le mélange autour de la zone de décharge. La simulation numérique directe (DNS) est un outil de recherche puissant pour la compréhension des interactions plasma/combustion/écoulement. Toutefois, le coût de calcul de la combustion turbulente avec un nombre de Reynolds élevé et la cinétique chimique détaillée couplée avec le plasma hors-équilibre est prohibitif. Cette thèse présente un nouveau modèle de couplageplasma-combustion pour introduire les effets des décharges de plasma hors-équilibre dans le système d’équations qui décrit le phénomène de la combustion. Le modèle est construit en analysant les chemins par lesquels l’énergie électrique est transférée au gaz. Ce modèle de décharges NRP permet des simulations multidimensionalesDNS de la combustion et l’allumage assistés par plasma. Les phénomènes physiques complexes de l’allumage assisté par décharges multiples de plasma dans des mélanges au repos et en régime d’écoulement turbulent sont analysés dans cette thèse. / Plasma-assisted combustion has received increasing attention in both plasma and combustion communities. Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges are a promising and efficient technique to initiate and control combustion processes particularly when conventional ignition systems are rather ineffective or too energy costly. Even though a promising technique, the phenomena occurring in NRP discharges-assisted combustion are still poorly understood. The numerical studies presented in the literature are limited to 1-D and 2-D simulations in quiescent conditions. The problem complexity increases in practical configurations as ignition phenomena are also controlled by the flow and mixing field characteristics in and around the discharge channel. Direct Numerical Simulations (DNS) is a powerful research tool to understand these plasma/combustion/flow interactions. However, the computational cost of fully coupled detailed non-equilibrium plasma and combustion chemistry, and high Reynolds number simulations is prohibitive. This thesis presents a model to describe the effects of non-equilibrium plasma discharges in the set of equations governing the combustion phenomena. Based on the results reported in the literature, the model is constructed by analyzing the channels through which the electric energy is deposited. The two main channels by which the electrons produced during the discharge impact the reactive mixture are considered: 1) the excitation and the subsequent relaxation of the electronic states of nitrogen molecules, which leads to an ultrafast increase of the gas temperature and dissociation of species; and 2) the excitation and relaxation of vibrational states of nitrogen molecules which causes a much slower gas heating. This high level model of NRP discharges allows DNS studies of plasma-assisted combustion / ignition in high turbulent Reynolds number. The complex physics underlying plasma-assisted ignition by multiple discharges in both quiescent and turbulent flow conditions are discussed in the present thesis.

Ce travail porte sur l’étude et la réalisation d’une cellule d’allumage laser pour turbomoteurs. Une étude bibliographique nous a permis d’identifier les caractéristiques nécessaires : des impulsions nanosecondes d’au moins 10mJ. La spécificité de l’application impose de nombreuses contraintes qui ont influencé le choix d’une architecture avec deux étages amplificateurs : un amplificateur fibré suivi d’un amplificateur à base de fibre cristalline. Nous avons développé un code permettant de simuler l’amplification d’une impulsion nanoseconde dans ces milieux et ainsi déterminé les caractéristiques techniquesoptimales de chaque étage amplificateur. Ces résultats ont permis la réalisation d’une chaîne d’allumage et sa caractérisation. Une étude particulière del’amplificateur fibré a permis de maîtriser l’apparition d’effets non-linéaires limitants. Finalement, nous démontrons le potentiel de notre solution laserpar plusieurs campagnes d’allumage sur différents bancs moteurs. / This work deals with the design and the construction of a laser ignitionsystem for turbine engines. A review of the dedicated literature allowed us toidentify the required characteristics : nanosecond pulses with at least 10 mJ ofenergy. Our specific application imposes numerous constraints which directlyinfluenced our choice of two amplifier stages : a fiber amplifier followed by acrystalline-fiber based amplifier. We developped a simulation describing theamplification of nanosecond pulses through these two medias and thus de-termined the optimal technical characteristics of each amplifier stage. Theseresults lead to the realization of an laser ignition system that we completelycharacterised. A specific study of the fiber amplifier allowed us to understandand control the appearance of non-linear limiting phenomena. Eventually, wedemonstrate the capabilities of our solution by several laser-ignition field stu-dies.

Le contrôle des moteurs à allumage commandé est devenu capital pour satisfaire la législation sur les émissions polluantes tout en garantissant un bon agrément de conduite.<br />L'objectif était d'estimer la masse et la composition des gaz dans le cylindre d'un moteur à partir de lois physiques afin d'assurer un meilleur contrôle des phases transitoires en prenant en compte les gaz résiduels et les gaz recirculés.<br />La quantité de gaz résiduels a été caractérisée à l'aide de deux expériences et d'un code de calcul. Un modèle a été validé expérimentalement et intégré à un observateur prédicteur bouclé qui permet de prédire la pression et la température dans le collecteur. Les prédictions des différents flux de gaz et des espèces chimiques présents dans le cylindre en sont alors déduites.<br />L'observateur à été validé expérimentalement et en simulation. De plus, un algorithme permettant d'estimer la masse de gaz frais et brûlés à partir de la pression cylindre a été proposé pour obtenir l'information cycle à cycle et cylindre à cylindre.

Ce mémoire a pour objet la modélisation et la commande d'un moteur à allumage commandé. Le premier chapitre propose alors un état de l'art sur la modélisation, l'estimation et la commande dans ces derniers. Le second chapitre s'intéresse à la commande de l'admission d'air. Deux commandes y sont développées : la première est basée sur une commande linéarisante et la seconde fait appel aux outils de la commande basée sur les modèles flous de type Takagi-Sugeno. Parmi les modèles considérés, certains sont non linéaires et présentent des incertitudes de modélisation, et d'autres sont à retards variables. Le troisième chapitre présente alors un certain nombre de développements théoriques concernant deux classes de modèles flous : ceux à retards variables sur l'état, et ceux avec incertitudes. Des conditions de stabilisation sans et avec un observateur d'état sont également données. Le quatrième chapitre traite alors de la commande et de l'observation par retour d'état basées sur des modèles flous de type Takagi-Sugeno et/ou par modes glissants, et de leur validation sur le modèle développé. Une régulation de richesse, une commande robuste du couple moteur moyen, un observateur à entrées inconnues du couple instantané, et des essais de commande globale sont présentés.

Depuis plusieurs années, la diminution des réserves de pétrole incite les différents pays à accroitre leur indépendance énergétique. De plus, diminuer l'impact environnemental de la voiture est devenu l'une des priorités de notre société. En ce sens, les normes Européennes anti-pollution sont devenues plus strictes, tandis que certains polluants sont pointés du doigt pour avoir un impact néfaste sur la santé et l'environnement. Pour répondre à cette double problématique, l'utilisation de biocarburants de type alcools dans les moteurs à allumage commandé est l'une des voies envisagées. Ce virage a déjà été entrepris à petite échelle par l'Union Européenne qui a tout d'abord autorisé l'ajout de 5%, puis de 10% d'éthanol dans l'essence. En plus de l'éthanol déjà commercialisé, le Biobutanol, biocarburant de seconde génération, apparait comme un candidat à fort potentiel pour une utilisation dans les moteurs à allumage commandé. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le potentiel de l'utilisation de mélanges isooctane/butanol dans les moteurs à allumage commandé, en termes de performances et d'émissions polluantes. De plus, ces résultats sont comparés à ceux de mélanges isooctane/éthanol. Le dégagement de chaleur dans un moteur à allumage commandé est en partie piloté par la vitesse de combustion laminaire. Cette caractéristique a été étudiée de manière expérimentale et numérique pour différentes conditions initiales (pression et richesse) dans une enceinte à volume constant. Puis, une étude sur les premières étapes de la propagation de la combustion a été réalisée dans un moteur monocylindre à accès optique. Ces résultats en moteur ont été corrélés avec les informations laminaires. Enfin, les émissions de polluants réglementés et non-réglementés, ainsi que les performances ont été étudiées dans un moteur monocylindre à allumage commandé. Une baisse de la plupart de ces émissions a été observée avec l'ajout des deux alcools.

Une des solutions pour diminuer les émissions polluantes émises par un moteur à combustion interne est de réinjecter une partie des gaz d’échappement (Exhaust Gas Recirculation, EGR) à l'admission. Cependant, dans le cas d’une dilution du mélange air-carburant trop importante, la combustion est plus instable voire ne pas s’entretenir. L’ajout d’une faible quantité d’hydrogène a le potentiel de contrer cet effet négatif de forte dilution. C’est dans ce contexte que ce travail de thèse est basé sur une étude détaillée des effets combinés de l’ajout de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à allumage commandé alimenté par du méthane ou de l’iso-octane. Dans la première partie de ce travail, le potentiel de l’ajout de l’hydrogène combiné à la dilution, en termes d’émissions polluantes et de rendement global du moteur, est montré. Dans la deuxième partie, afin de mieux comprendre l’effet de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à combustion interne et leurs influences sur les propriétés fondamentales de la combustion, la vitesse de combustion laminaire, paramètre fondamentale, a été déterminée expérimentalement pour des mélanges isooctane ou méthane avec de l’air contenant différents pourcentages d’hydrogène et de dilution. Des corrélations ont pu ainsi être formulées permettant d’estimer la vitesse fondamentale de combustion laminaire pour ces mélanges. Dans la dernière partie, l’utilisation de deux diagnostics optiques (la chemiluminescence de la flamme et la tomographie par plan laser du front de flamme couplé à la mesure de vitesse par vélocimétrie par imagerie de particules) a permis de quantifier l’effet de l’hydrogène et de la dilution sur la propagation de flamme turbulente dans un moteur à allumage commandé muni d’accès optiques. Nous avons ainsi montré que le la vitesse de combustion laminaire a un effet prépondérant, comparé au nombre de Lewis, sur la vitesse de combustion turbulente dans un moteur à allumage commandé. / Optimization of the intake air-fuel mixture composition is one way to reduce pollutant emissions in Spark-Ignition (SI) engines. This can be achieved by operating with a diluted mixture, i.e by recirculating the exhaust. There are however limitations on the level of dilution that can ensure the smooth running of SI engines since diluting the air-fuel mixture induces an increase in combustion duration and in cyclic variations which impair engine performance. Adding an amount of hydrogen to the fuel can extend the dilution and the lean engine operability limits, which is beneficial in reducing both emission levels and fuel consumption. The objective of this study is to investigate the combined effects of hydrogen addition and nitrogen dilution in an SI engine fuelled with iso-octane or methane. In the first part of this study, we proved that high values of indicated engine efficiency and low values of pollutant emissions can be achieved by combining hydrogen addition and diluted air-fuel mixtures in the case of SI engines. In the second part, we provided experimental values of laminar burning velocity for diluted methane or iso-octane/hydrogen/air mixtures for a better understanding of the hydrogen and dilution effects on the fundamental properties of laminar combustion. New correlations to estimate laminar burning speeds of these mixtures were also presented. In the last part, the effects of hydrogen addition, with and without nitrogen dilution, on the turbulent flame propagation were investigated in an optical SI engine fuelled with iso-octane or methane. This study was done by using two different experimental techniques (direct flame radiation visualization and laser tomography images with Particle Image Velocimetry). The main conclusion is that the laminar burning velocity, rather than the Lewis number, has the dominant effect on the turbulent burning velocity in an SI engine.

Depuis plusieurs années, la diminution des réserves de pétrole incite les différents pays à accroitre leur indépendance énergétique. De plus, diminuer l’impact environnemental de la voiture est devenu l’une des priorités de notre société. En ce sens, les normes Européennes anti-pollution sont devenues plus strictes, tandis que certains polluants sont pointés du doigt pour avoir un impact néfaste sur la santé et l’environnement. Pour répondre à cette double problématique, l’utilisation de biocarburants de type alcools dans les moteurs à allumage commandé est l’une des voies envisagées. Ce virage a déjà été entrepris à petite échelle par l’Union Européenne qui a tout d’abord autorisé l’ajout de 5%, puis de 10% d’éthanol dans l’essence. En plus de l’éthanol déjà commercialisé, le Biobutanol, biocarburant de seconde génération, apparait comme un candidat à fort potentiel pour une utilisation dans les moteurs à allumage commandé. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le potentiel de l’utilisation de mélanges isooctane/butanol dans les moteurs à allumage commandé, en termes de performances et d’émissions polluantes. De plus, ces résultats sont comparés à ceux de mélanges isooctane/éthanol. Le dégagement de chaleur dans un moteur à allumage commandé est en partie piloté par la vitesse de combustion laminaire. Cette caractéristique a été étudiée de manière expérimentale et numérique pour différentes conditions initiales (pression et richesse) dans une enceinte à volume constant. Puis, une étude sur les premières étapes de la propagation de la combustion a été réalisée dans un moteur monocylindre à accès optique. Ces résultats en moteur ont été corrélés avec les informations laminaires. Enfin, les émissions de polluants réglementés et non-réglementés, ainsi que les performances ont été étudiées dans un moteur monocylindre à allumage commandé. Une baisse de la plupart de ces émissions a été observée avec l’ajout des deux alcools. / For the past few years, the oil stock decrease encourages the different countries to increase their energy independence. Moreover, reducing the environmental impact of transportation became one of the priorities of our society. In this way, European emissions standards are stricter while several pollutants have been identified to have a negative impact on health and the environment. To answer this double problem, the use of alcohols biofuels in spark-ignition engines is one the promising ways. The European Union have already taken a small step in that direction by allowing a maximum of 10% of ethanol into gasoline. As well as ethanol is already marketed, Biobutanol, a 2nd generation biofuel, appears as a serious candidate with a strong potential for a spark-ignition engines use. The objective of this dissertation is to study the potential of the iso-octane/butanol blends use in spark-ignition engines, in terms of performance and pollutants emissions. Moreover, these results are compared to isooctane/ethanol blends. The heat release in spark-ignition engine is piloted for a part by laminar burning velocity. This characteristic was studied experimentally and numerically for different initial conditions (pressure and equivalence ratio) in a constant volume bomb. Then, the early flame kernel growth was studied in a spark-ignition single cylinder engine equipped with optical accesses. Those results were correlated with the results on the laminar burning velocity. Finally, regulated and non-regulated pollutants emissions and engine performance were investigated in a spark-ignition single cylinder engine. A decrease of most pollutant emissions was observed with both alcohols addition.