L'amélioration des moteurs à allumage commandé représente un défi de première importance pour les ingénieurs afin de produire plus d'énergie, de consommer moins de matière première et de réduire les émissions polluantes. Les nouvelles technologies apparues ces dernières années amènent les moteurs de plus en plus proches de leurs limites de fonctionnement, favorisant ainsi des phénomènes néfastes qui doivent être contrôlés. Parmi ces phénomènes, les variations cycle-à-cycle (VCC) doivent être minimisées pour garder une performance optimale et éviter une dégradation rapide du moteur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est un outil prometteur afin de prédire numériquement les niveaux de variabilités obtenues lors du design d'un moteur (limitant ainsi les coûteuses campagnes de mesures expérimentales). Ce manuscrit s'est attaché à développer une méthodologie numérique pour la prédiction des variabilités cycliques, à simuler un nombre suffisant de cycles pour pouvoir estimer les niveaux de VCC et à valider les résultats obtenus par rapport aux résultats expérimentaux. La SGE semble capter les points de fonctionnements stable et instable étudiés. Les sources qui provoquent ces VCC ont aussi été analysées et une modification du fonctionnement du moteur a été proposée afin de réduire les VCC.

Le thème principal de ce travail concerne la commande du circuit d'air et du circuit<br />d'essence des moteurs thermiques à allumage commandé avec ou sans suralimentation en air.<br />La présentation se décompose en cinq chapitres.<br />Le premier chapitre donne un état de l'art concernant la modélisation orientée<br />«contrôle» et la commande du circuit d'admission d'air-essence. La problématique de<br />l'estimation et de la commande du couple moteur est également traitée.<br />Dans le deuxième chapitre, les modèles mis en oeuvre dans la suite du mémoire, et<br />l'identification de leurs paramètres sont présentés. Les modèles moyens qui sont décrits<br />permettent de faire un compromis entre complexité du modèle et adéquation aux synthèses des<br />lois de commande proposées. Le couple moteur n'étant pas mesuré sur un véhicule de série, son<br />estimation fait l'objet de la fin de ce chapitre.<br />Le troisième chapitre propose l'utilisation des modèles flous de type Takagi-Sugeno<br />(TS) pour réaliser le contrôle de différentes variables. Après un rapide rappel de ce type de<br />modèle, son application à la commande en couple, puis au problème de la richesse (rapport<br />air/essence à la stoechiométrie près) sont abordés.<br />Le quatrième chapitre correspond à un certains nombres d'essais réels qui ont été<br />réalisés sur le banc moteur. En particulier, ces essais ont permis de valider des lois de<br />commande présentées dans le chapitre précédent sur la commande du circuit d'air et du couple<br />moteur. Le dernier chapitre présente quelques perspectives à ce travail.

Aujourd'hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d'énergie et les problèmes d'émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l'économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept 'downsizing'. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d'oxygène dans l'air est proposé. Car d'une part, la combustion enrichie en oxygène permet d'améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d'admission. Cela permet soit de 'booster' la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l'activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D'autre part, une faible concentration en oxygène dans l'air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d'échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre 'downsizing' avec différents taux d'oxygène et richesse. L'étude de l'impact du contrôle de la concentration d'oxygène sur les caractéristiques de combustion et d'émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L'effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d'auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l'intensité du cliquetis a pu être prédite.

Dans un contexte de diminution des émissions polluantes émises par les moteurs à combustion interne, le secteur des transports assiste à une amélioration des motorisations mais également à une diversification des carburants pour l’automobile. L’utilisation de ces différents carburants entraîne souvent un impact sur les performances de la combustion. Dans le cas du moteur à allumage commandé, la performance dépend du dégagement d’énergie, image de la vitesse de la combustion, soit du front de flamme consommant le mélange air-carburant. Or toute flamme en expansion est théoriquement soumise à des effets de courbure et de cisaillement, toutes deux contributions de l’étirement. La réponse à l’étirement étant propre à chaque type de mélange air-carburant (lié au carburant proprement dit, à la richesse du mélange, à la dilution …), ce travail de thèse est centré sur la compréhension de l’impact de l’étirement sur les performances des carburants dans les moteurs à allumage commandé. Pour cela, différents mélanges air-carburant similaires du point de vue des propriétés thermodynamiques et des vitesses fondamentales de combustion laminaire mais avec des sensibilités à l’étirement différentes ont été sélectionnés. Ces mélanges ont ensuite été étudiés dans différentes configurations expérimentales et à l’aide de différentes techniques de mesure: moteur monocylindre opaque et à accès optiques, chambre sphérique de combustion turbulente. Les résultats montrent que les propriétés de sensibilités à l’étirement déterminées en régime laminaire comme la longueur de Markstein et le nombre de Lewis sont indicatrices du comportement des mélanges en combustion turbulente, comme dans la chambre de combustion caractéristique des moteurs à allumage commandé, et sont des paramètres à prendre en considération afin de prédire les performances plus globales de ces carburants que ce soit expérimentalement qu’en simulation. / In a context of decreasing pollutant emissions, the transport sector is facing an improvement of engine concept as well as a fuel diversification. The use of these different fuels often involves an impact on the combustion performance itself. In the case of Spark ignition engine, the efficiency is a function of the released heat, image of the combustion speed, i.e. the flame front speed consuming the air-fuel mixture. It is well known that every expanding flame is submitted to flame curvature and strain rate which are both contributors to flame stretch. As the answer of each air-fuel mixture (i.e. the fuel itself, the equivalence ratio, the dilution …) is different to flame stretch, the objective of this work is to understand flame stretch impact on fuel performance in Spark-Ignition engines. To achieve this goal, different fuel-air mixtures with similar unstretched laminar burning speed and thermodynamic properties but different responses to stretch were selected. Those mixtures were then studied with different experimental devices with different measurement techniques: single-cylinder metallic and optical engines, turbulent combustion spherical vessel. Results show that flame stretch sensitivity properties such as Markstein length and Lewis number, determined in laminar combustion regime, are relevant parameters to describe the flame propagation in turbulent combustion as in the combustion chamber of the Spark-Ignition engine and need to be taken into consideration to evaluate global performance of these fuels, experimentally and also in modeling simulation.

De nos jours, la conception de moteurs à combustion interne à allumage commandé exige une consommation de carburant réduite et des émissions polluantes faibles, tout en conservant une performance adéquate. Le coût élevé des essais expérimentaux vient en faveur de l'utilisation de la simulation numérique pour l'évaluation de nouvelles définitions techniques. La modélisation phénoménologique zéro-dimensionnelle de combustion permet d'évaluer les différentes définitions techniques en tenant compte de différents aspects de de la combustion à allumage commandé comme la géométrie, la flamme laminaire et l'impact de la turbulence. Ces modèles calculent également la concentration des espèces de gaz d'échappement. Afin de créer un modèle de combustion, qui pourra décrire la physique de la combustion, les aspects principaux de la combustion pré-mélangée laminaire et turbulent sont identifiés. Trois versions de modèles de combustion typiques sont comparées en termes de description physique du processus de combustion. Le résultat de cette comparaison a indiqué le modèle le plus pertinent (le modèle de densité de surface de flamme). Ce modèle est retenu et il est complété avec la modélisation physique des plusieurs phénomènes qui affectent le taux de dégagement de chaleur. Ces phénomènes sont l’interaction flamme-paroi, les réactions post flamme et l’étirement de flamme. Enfin, le modèle proposé est validé pour plusieurs configurations techniques. Chaque configuration a un impact sur un paramètre spécifique de moteur. Cette analyse montre quels sont les intervalles de confiance et les limitations du modèle proposé. / Nowadays, the design of Spark Ignition internal combustion engines is focused on the reduction of fuel consumption and low pollutant emissions, while conserving an adequate output power. The high cost of experimental testing comes in favor of the use of numerical simulations for the assessment of engine technologies. Phenomenological Zero-Dimensional combustion models allow evaluating various technical concepts since they take into account various aspects of spark ignition combustion such as chamber geometry, laminar flame characteristics (thickness and speed) and the impact of turbulence. Such models also calculate species concentration of the exhaust gases. In order to create a zero-dimensional combustion model, which can be able to describe correctly the physics of combustion, the key aspects of laminar and turbulent premixed combustion are identified. Three versions of typical combustion models are compared in terms of physical description of the combustion process. The result of this comparison indicated the most physically pertinent mod-el (the Flame Surface Density model). This model is retained and is enhanced with physical modeling of the several phenomena, which affect the heat release rate. Those phenomena are the wall-flame interaction, post-flame reactions and flame stretch. Finally, the proposed model is validated for several engine configurations. Each configuration has an impact on a specific engine parameter. This analysis shows which are the confidence intervals and the limitations of the proposed model.

Aujourd’hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d’énergie et les problèmes d’émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l’économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept ‘downsizing’. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d’oxygène dans l’air est proposé. Car d’une part, la combustion enrichie en oxygène permet d’améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d’admission. Cela permet soit de ‘booster’ la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l’activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D’autre part, une faible concentration en oxygène dans l’air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d’échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre ‘downsizing’ avec différents taux d’oxygène et richesse. L’étude de l’impact du contrôle de la concentration d’oxygène sur les caractéristiques de combustion et d’émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L’effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d’auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l’intensité du cliquetis a pu être prédite. / Nowadays, car manufacturers continue to lead researches on new technologies facing to the energy shortage and pollutant emission problems. A major way to optimise fuel economy and reduce pollutant emissions for Spark-Ignition (SI) engines is the downsizing concept. However, this concept is unfortunately limited by ‘knock’ phenomena (abnormal combustion) due to high temperature and high pressure in-cylinder conditions. In the present study, control the oxygen concentration in air is proposed. Indeed, on the one hand, oxygen-enriched combustion can improve engine power density with the same intake pressure level. Thus, oxygen-enriched combustion can be used either as a booster to increase engine output or as a combustion enhancer when the engine operates at low loads or in cold start conditions. On the other hand, low oxygen concentration in air (or N2 dilution) can be considered as an alternative to exhaust gas recirculation (EGR). The experiments were carried out in a downsized single-cylinder SI engine with different rates of oxygen and equivalence ratios. The study of the impact of controlling oxygen concentration on the combustion characteristics and emissions was performed at several loads by optimizing the spark advance and the intake pressure to maintain the load and obtain a minimum value of indicated Specific Fuel Consumption (SFC). The effect of oxygen concentration on the engine combustion characteristics was simulated by using the commercial software AMESim, with the combustion model developed by IFP-EN. By implementing correlations for the laminar burning velocity, determined previously during this study, and auto-ignition delay data base, the in-cylinder pressures were perfectly calibrated with a maximum pressure relative error less than 2%, and the knock intensity was predicted.

Dans les véhicules hybrides électrique-essence, les stratégies de gestion de l’énergie déterminent la répartition des flux d'énergies des moteurs thermique et électrique avec pour objectif classique la réduction de la consommation. Par ailleurs, pour respecter les seuils réglementaires d’émissions polluantes, les motorisations essence sont équipées d’un catalyseur 3-voies chauffé par les gaz d’échappement. Une fois amorcé, ce catalyseur convertit presque entièrement les émissions polluantes du moteur. C’est donc au démarrage que la plupart de la pollution est émise, lorsque le catalyseur est froid et que la pollution du moteur n’est pas convertie. La chauffe du catalyseur est donc l’étape clé de la dépollution. Ce mémoire propose une démarche de prise en compte des émissions polluantes par la gestion d’énergie. Le véhicule hybride est assimilé à un système dynamique à deux états, l’état de charge batterie et la température du catalyseur. Un problème d’optimisation dynamique est défini, qui minimise un critère original pondérant judicieusement la consommation et les émissions polluantes. La théorie de la commande optimale, avec les Principes du Minimum de Pontryaguine et de Bellman, permet de résoudre ce problème d’optimisation. Des stratégies optimales sont déduites et simulées avec un modèle de véhicule intégrant un modèle thermique multi-zones de catalyseur, validé expérimentalement, qui simule précisément la chauffe. Le compromis entre la consommation et la pollution est exploré. Une stratégie de chauffe du catalyseur, plus méthodique, analytique et efficace que les stratégies empiriques actuelles, est alors proposée. Cette stratégie est validée expérimentalement dans un environnement HyHIL (Hybrid Hardware In the loop). Une importante réduction de la pollution est obtenue, confortant l’approche d’optimisation dynamique pour la mise au point des stratégies de gestion d’énergie du véhicule hybride. / In hybrid gasoline-electric vehicles, the energy management strategies determine the distribution of engine and motor energy flows with fuel consumption reduction as classical objective. Furthermore, to comply with pollutant emissions standards, SI engines are equipped with 3-Way Catalytic Converters (3WCC) heated by exhaust gases. When 3WCC temperature is over the light-off temperature, engine pollutant emissions are almost totally converted. Most of the pollution is produced at the vehicle start, when the 3WCC is cold and the engine pollution is not converted. The 3WCC heating is thus the key aspect of the pollutant emissions. This dissertation proposes an approach to take into account pollutant emissions in energy management. The hybrid electric vehicle is considered as a dynamic system with two states, the battery state of charge and 3WCC temperature. A dynamic optimization problem is defined, minimizing an original criterion weighting judiciously fuel consumption and pollutant emissions. Optimal control theory, with the Pontryaguine Minimum and Bellman principles, allows solving this optimization problem. Optimal strategies are derived and simulated with a vehicle model including a multi-zones 3WCC thermal model, experimentally validated, which simulates precisely the 3WCC heating. The compromise between fuel consumption and pollutant emissions is explored. Then, an innovative 3WCC heating strategy is proposed and validated experimentally in a HyHIL (Hybrid Hardware In the loop) environment. A significant reduction of the pollutant emissions is obtained, strengthening the dynamic optimal approach to set up the energy management strategies for hybrid vehicles.

Face aux normes actuelles et futures, de plus en plus drastiques, concernant les émissions de polluants, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer l'efficacité des moteurs à allumage commandé. Une des solutions les plus efficaces et applicables pour diminuer la quantité de polluants émis dans les gaz d’échappement (HC, CO, NOx) et réduire la consommation de carburant, est d’utiliser un mélange très pauvre (richesse du mélange inférieure à 0,6). Toutefois, ce concept de fonctionnement est limité par les systèmes d'allumage classiques qui ne peuvent pas garantir un allumage du mélange air / combustible dans de bonnes conditions, de manière à assurer une combustion complète, rapide et reproductible.Le sujet de cette thèse consiste en l'élaboration d'un nouveau système d'allumage basé sur une bougie d’allumage double, qui peut produire deux d'étincelles quasi-simultanées, dont la longueur cumulée est plusieurs fois plus élevée que celle d’étincelles produites par une bougie d'allumage classique. Pour valider ce système d'allumage, trois différents types d'analyses ont été réalisés: une analyse des paramètres électriques des décharges, un diagnostic du plasma par spectroscopie optique d'émission, et des essais in situ du système d'allumage sur deux moteurs à combustion interne avec analyse des gaz d'échappement et détermination des performances des moteurs.Ces tests ont révélé que l'utilisation du système d’allumage à double étincelle peut assurer une meilleure stabilité dans le fonctionnement du moteur (en particulier dans les conditions d'allumage difficiles, en utilisant des mélanges très pauvres) ; des performances accrues du moteur pour une même quantité de carburant consommé ; et une diminution de la quantité d’hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone dans les gaz d'échappement, mais avec une plus grande émission d'oxydes d'azote par rapport à un système d'allumage classique. / Faced with the current and future more and more drastic standards for pollutant emissions, the car manufacturers are permanently trying to improve the efficiency of spark ignition engines. One of the most effective applicable solutions for reducing the quantity of pollutant emissions (HC, CO, NOx) from the exhaust gases and also to reduce the fuel consumption is to operate with very lean mixture (equivalent ratio lower than 0.6). However, this operation concept is limited by the actual ignition systems that cannot assure an air/fuel mixture ignition in good conditions, in order to assure a complete, fast and repeatable combustion. The subject of this thesis consists into developing of a new ignition system based on a double spark plug, which can produce two quasi-simultaneous spark discharges with cumulated length few times higher than the sparks produced by a conventional spark plug. For ignition system validation, three different types of analysis have been considered: the analysis of the discharges electrical parameters, the plasma diagnosis using optical emission spectroscopy methods and the tests of the ignition system on two internal combustion engines with the exhaust gases analysis and engine performances determination. The tests revealed that the utilization of the double spark ignition system can assure a better stability in engine operation (especially in difficult ignition conditions such using very lean mixtures), increased engine performances for the same amount of consumed fuel and it can provide a diminution of the unburned hydrocarbons and carbon monoxide quantities from the exhaust gases, but with an increased quantity of nitrogen oxides, compared with a conventional ignition system.

Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants. / Recently, the interest for zero-dimensional models has increased. Indeed, these models provide easily the engines thermodynamic behavior and can be coupled with control tools. However, their accuracy must be improved to meet the current technological challenges. In the spark ignition engines, the premixed turbulent flame is modeled as a set of coherent flamelets. This approach requires special treatment near the walls, motivated by the modifications of the flame structure due to boundary layers. The present work proposes 0D modeling of combustion near the walls and in the reaction zone of the flame. To combustion model near the walls, the flame is divided into a free propagation contribution, and an interacting contribution with the walls. Each contribution is divided into a convective zone, wherein the entrainment of fresh gas is described, and a reaction zone, wherein the combustion reaction is modeled. Adding a reaction zone near the walls allows modeling a thermal gradient and a slower combustion reaction near the walls. To model the reaction zone, a flame discretization is made into several reaction zones. An engine operating range is simulated with our models, for quantifying the calibration parameters variability. To do this, models are calibrated on each operating point, by a method of minimization of the quadratic error on the heat released rate. Linear correlations can be found, depending on engines parameters. A good agreement between experimental data and simulation results is obtained with these parameters correlations.

L'augmentation continue des charges de fonctionnement des moteurs à allumage commandé a conduit à l'apparition d'une nouvelle forme de combustion anormale à bas régime sous la forme d'un pré allumage. Dans des conditions de pression et de température extrêmes, une auto-inflammation incontrôlée du mélange carburé peut en effet se produire avant l'allumage normal à la bougie et conduire à une seconde auto-inflammation de type cliquetis donnant naissance à des oscillations de pression inacceptables même pour les moteurs les plus robustes. Cette anomalie constitue donc une véritable limite au downsizing des moteurs et à l'augmentation de leurs performances spécifiques. Cette dernière forme de combustion anormale est bien plus critique que le cliquetis car son apparition est aléatoire, le plus souvent sporadique et généralement très violente. Ces caractéristiques fondamentales expliquent que de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies d'analyse aient dû être développés pour mieux caractériser le processus d'auto-inflammation dans ces conditions extrêmes. Des méthodes statistiques avancées ont notamment été mises au point pour quantifier de manière fiable la fréquence d'apparition du pré allumage malgré son caractère aléatoire. En parallèle, un travail expérimental important a été réalisé pour mettre au point une méthodologie de réalisation de visualisations endoscopiques permettant de mieux analyser le processus de combustion, et d'identifier de manière plus précise les zones préférentielles d'apparition du pré allumage dans la chambre de combustion. Les impacts des paramètres fondamentaux régissant l'auto-inflammation (aérodynamique interne, thermique et chimie du mélange) ont d'abord été analysés sur un monocylindre de recherche. Le processus de combustion a ainsi été détaillé et l'hypothèse d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse a également pu être abordée en parallèle de l'analyse expérimentale par une approche numérique RANS. Une étude plus approfondie a ensuite montré qu'il était possible qu'un pré allumage conduise à une auto-inflammation de type détonation, ce qui explique qu'un nombre réduit d'occurrences suffise à détériorer irrémédiablement le moteur. La versatilité du monocylindre a également permis de mettre en évidence la diversité des phénomènes qui pouvaient conduire au pré allumage et d'autres hypothèses que celle d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse ont ainsi pu être formulées. Celles-ci ont finalement été testées sur un multicylindre en appliquant des méthodologies d'essais et d'analyse éprouvées sur monocylindre. Les investigations tournées vers l'impact des réglages moteur ont alors notamment confirmé que les impacts du carburant sur les parois de la chambre de combustion conduisaient à la formation de films liquides dont les caractéristiques locales pouvaient être favorables à une auto-inflammation. / The continuous increase of engine loads on SI engines has provoked the apparition of a new form of abnormal combustion at low engine speed in the guise of a pre-ignition. Under extreme conditions of pressure and temperature, an uncontrolled auto-ignition of the fresh mixture can happen well before the normal ignition at the spark and lead to a knocking-like second auto-ignition and to unacceptable pressure oscillations even for modern and robust engines. This anomaly constitutes thus a strong limit to the downsizing of gasoline engines and to the increase of their specific performance. This latter abnormal combustion is far more critical than knocking combustion since its apparition is random, most often sporadic and usually very violent. These fundamental characteristics explain that new tools and methodologies had to be developed to achieve a better characterization of the auto-ignition process under such extreme conditions. Advanced statistical methods have notably been defined to obtain a reliable quantification of the pre-ignition frequency despite its randomness. A significant work has simultaneously been realized to develop an experimental methodology dedicated to endoscopic visualizations allowing a better analysis of the combustion process and a more precise identification of the preferential areas of auto-ignition inside the combustion chamber. The impacts of fundamental parameters governing auto-ignition (the mixture's charge motion, thermal and chemical evolutions) have first been analyzed thanks to a research single cylinder engine. That way, the combustion process has been detailed and the hypothesis of a spontaneous auto-ignition of the gaseous mixture has also been tackled at the same time with the help of a numerical RANS approach. Then, a deeper analysis has showed that pre-ignition could lead to a developing detonation mode during the second auto-ignition, explaining so that a reduced number of events could cause irremediable damages. Thanks to the flexibility of the single cylinder engine, it has also been shown that a wide variety of phenomena could lead to pre-ignition and it has made possible the formulation of other hypotheses than a spontaneous auto-ignition of the gaseous mixture. These ones have finally been tested on a serial multi-cylinder engine with test and analysis methodologies validated on the single cylinder engine. The investigations focused on the impacts of settings have then confirmed that the fuel impacts on the liner and on the piston lead to the formation of liquid films whose local characteristics could be favorable to auto-ignition.