Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la mondialisation des marchés et les enjeux socio-écologiques du développement durable représentent des défis majeurs pour l’industrie automobile. Afin de relever ces défis, les entreprises doivent investir dans des outils de développent plus performants. Pour améliorer la performance d’un moteur thermique en termes de consommation et d’émissions une compréhension enrichie de la boucle d’air autour du moteur et de l’interaction entre ses composants est indispensable Cette thèse suit deux axes de recherche dans ce contexte. Dans un premier temps, les problèmes liés à la modélisation d’une boucle d’air globale sont traités. En particulier, sont modélisés le débit d’air entre les différents sous-systèmes, la combustion en fonction du degré vilebrequin, la pulsation du débit et de la pression et l’estimation de la force aérodynamique sur les vannes des turbocompresseurs à géométrie variable (TGV). Cette étude de modélisation détaillée à été utilisée pour mettre en place un simulateur de la boucle d’air, qui prend en compte ces interactions et qui peut prédire l’influence des sous-systèmes sur la boucle globale. En suite, l’effort de notre recherche a été consacré à la modélisation des actionneurs mécatroniques de la boucle d’air et de leur comportement non linéaire dû au frottement, aux variations de la température, etc. Un modèle dynamique non linéaire à été développé et intégré dans le simulateur. Ce modèle peut être adapté aux plusieurs types d’actionneurs commerciaux. Le simulateur complet à été implémenté sous AMESim pour les modèles du moteur et de la boucle d’air, et sous Simulink pour le contrôle. Les modèles ont été paramétrées selon les spécifications d’un moteur commercial et le simulateur à été validé expérimentalement. Finalement, des lois de commande robustes ont été étudiées pour le contrôle en position (contrôle locale) des actionneurs. Un contrôleur adaptatif à été développé pour garantir la performance des actionneurs malgré des changements dans le frottement, ainsi que dans la charge externe. La performance de toutes les méthodes étudiées, a été validée expérimentalement. / Today’s globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.

Cette thèse a pour but l’étude de la détection basée sur modèle de défauts pour lesmoteurs Diesel produits en grande série. La nécessité d’une surveillance continue del’état de santé des véhicules est maintenant renforcée par la législation Euro VI sur lesémissions polluantes, qui sera probablement rendue encore plus contraignante dans sesprochaines révisions. Dans ce contexte, le développement de stratégies robustes, faciles àcalibrer et valides pour des systèmes dispersés (car produits en grande série) procureraitun avantage considérable aux constructeurs automobile. L’étude développée ici tentede répondre à ces besoins en proposant une méthodologie générique. On utilise desobservateurs adaptatifs locaux pour des systèmes scalaires non linéaires et affines parrapport à l’état, pour résoudre les problèmes de la détection de défauts, de son isolationet de son estimation d’une façon compacte. De plus, les incertitudes liées aux biais demesure et de modèle et aux dérives temporelles nécessitent d’améliorer les méthodes dedétection par l’utilisation de seuils robustes pour éviter les fausses détections. Dans cettethèse, on propose un seuil variable basé sur la condition d’observabilité du paramètreimpacté par le défaut et sur une étude de sensibilité par rapport aux incertitudes surles entrées ou sur le modèle. Cette méthode permet, entre autres, de fournir un outild’analyse pour la sélection des conditions de fonctionnement du système pour lesquelsle diagnostic est plus fiable et plus robuste par rapport aux incertitudes sur les entrées.L’approche présentée a été appliquée avec succès et validée de façon expérimentale surun moteur Diesel pour le problème de détection de fuite dans le système d’admissiond’air, puis dans un environnement de simulation pour le problème de détection dedérive d’efficacité turbine. On montre ainsi ses avantages en termes de fiabilité dedétection, d’effort de calibration, et pour l’analyse des conditions de fonctionnementmoteur adaptées au diagnostic. / The study of model-based fault detection for mass production Diesel engines isthe aim of this thesis. The necessity of continuous vehicles health monitoring is nowenforced by the Euro VI pollutant legislation, which will probably be tightened in itsfuture revisions. In this context developing a robust strategy that could be easilycalibrated and work with different systems (due to production variability) would bea tremendous advantage for car manufacturers. The study developed here tries toanswer to those necessities by proposing a generic methodology based on local adaptiveobservers for scalar nonlinear state-affine systems. The fault detection, isolation andestimation problems are thus solved in a compact way. Moreover, the uncertaintiesdue to measurement or model biases and time drifts lead to the necessity of improvingthe detection methodology by the use of robust thresholds that could avoid undesiredfalse alarms. In this thesis a variable threshold is proposed based on the observabilitycondition and the sensitivity analysis of the parameter impacted by the fault withrespect to input or model uncertainties. This approach allows, among other things, tobe used as an analysis tool for the individuation of the system operating points for whichthe diagnosis is more reliable and more robust to inputs uncertainties. The discussedapproach has been successfully implemented and experimentally tested on a real Dieselengine for the intake leak detection and for the turbine efficiency loss drift detectionin a co-simulation environment showing its advantages in term of detection reliability,calibration effort and engines diagnosis operating condition analysis.